(57)【要約】抵抗値のばらつきを抑制することが可能な抵抗変化型の不揮発性記憶素子を提供する。本発明の不揮発性記憶素子は、シリコン基板（１１）と、シリコン基板（１１）上に形成された下部電極層（１０２）と、下部電極層（１０２）上に形成された抵抗変化層と、抵抗変化層上に形成された上部電極層（１０４）と、少なくとも下部電極層（１０２）、抵抗変化層の側面を覆うように形成された第２の層間絶縁層（１９）と、少なくとも上部電極層（１０４）の上面および側面を直接覆うように、第２の層間絶縁層（１９）に用いられる絶縁層より応力が小さい材料で設けられ、上部電極層（１０４）に対する応力を緩和するストレス緩和領域層（１０５）と、上部電極層（１０４）に至るよう形成された第２のコンタクト（１６）と、第２のコンタクト（１６）に接続される配線パターン（１８）と、を備える。
2011111361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された下部電極層と、
前記下部電極層上に形成された金属酸化物で構成される第１の抵抗変化層と、
前記第１の抵抗変化層上に形成され、かつ前記第１の抵抗変化層より酸素不足度が小さい金属酸化物で構成される第２の抵抗変化層と、
前記第２の抵抗変化層上に形成された上部電極層と、
少なくとも前記下部電極層、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層の側面を覆うように形成された層間絶縁層と、
少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さい材料で設けられ、前記上部電極層に対する応力を緩和するストレス緩和領域層と、
上部電極層に至るように形成されたコンタクトと、
前記コンタクトに接続される配線パターンと、を備える
不揮発性記憶素子。
【請求項２】
前記層間絶縁層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を、前記ストレス緩和領域層を介して覆うように形成されており、
前記コンタクトは、前記層間絶縁層および前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るよう形成されており、
前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように前記上部電極層と前記層間絶縁層との間に設けられ、前記上部電極層に対する前記層間絶縁層の応力を緩和する
請求項１に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項３】
前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面、並びに、前記コンタクトの側面を直接覆うように設けられている
請求項１に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項４】
前記ストレス緩和領域層は、多孔質構造を有する絶縁層である
請求項１から３のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項５】
前記ストレス緩和領域層は、空気層である
請求項１から３のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項６】
前記上部電極層は、白金族元素の単体または合金である
請求項１から５のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項７】
前記白金族元素は、白金またはパラジウムである
請求項６に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項８】
前記金属酸化物は、タンタル酸化物ＴａＯｘ（０＜ｘ＜２．５）で構成される
請求項１から７のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項９】
前記金属酸化物は、タンタル酸化物からなり、
前記第１の抵抗変化層をＴａＯｘ、前記第２の抵抗変化層をＴａＯｙと表したとき、０．８≦ｘ≦１．９、かつ、２．１≦ｙ＜２．５である
請求項１から７のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項１０】
前記基板上に下部電極層を形成する第１工程と、
前記下部電極層上に金属酸化物で構成される第１の抵抗変化層を形成する第２工程と、
前記第１の抵抗変化層より酸素不足度が小さい金属酸化物で構成される第２の抵抗変化層を前記第１の抵抗変化層上に形成する第３工程と、
前記第２の抵抗変化層上に上部電極層を形成する第４工程と、
少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように、前記上部電極層に対する応力を緩和するストレス緩和領域層を設ける第５工程と、
少なくとも前記下部電極層、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層の側面を覆うように層間絶縁層を形成する第６工程と、
上部電極層に至るようコンタクト形成する第７工程と、
前記コンタクトに接続される配線パターンを形成する第８工程と、を含み、
前記第５工程において、
前記ストレス緩和領域層は、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さい材料で設けられる
不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第５工程において、
前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さい絶縁層で設けられ、
前記第６工程において、
前記層間絶縁層は、前記ストレス緩和領域層を介して、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を覆うように形成され、
前記第７工程において、
前記コンタクトは、前記層間絶縁層および前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るように形成される
請求項１０に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第５工程および前記第６工程は、
少なくとも前記上部電極層の上面および側面を覆うように、後に除去される犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
少なくとも前記上部電極層の上面および側面を、前記犠牲層を介して覆うように、前記層間絶縁層を形成する工程と、
前記犠牲層を除去することにより、前記上部電極層に対する前記層間絶縁層の応力を緩和する空気層を前記ストレス緩和領域層として形成する空気層形成工程とを含み、
前記第７工程は、前記層間絶縁層および前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るようにコンタクト開口部を形成する開口部形成工程と、前記コンタクト開口部に前記コンタクトを形成する工程とを含み、
前記空気層形成工程において、
前記ストレス緩和領域層は、前記開口部形成工程後、前記コンタクト開口部からエッチングにより前記犠牲層を除去することにより、形成される
請求項１０に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項１３】
前記第６工程では、
前記上部電極層、前記第１の抵抗変化層、前記第２の抵抗変化層および前記下部電極層を覆うように前記層間絶縁層と同じ材料の絶縁層を形成する工程と、
前記層間絶縁層と同じ材料の絶縁層をエッチング除去し、少なくとも前記上部電極層を露出させることで、前記層間絶縁層を形成する工程とを含み、
前記第５工程において、
前記ストレス緩和領域層は、前記第６工程の後に、少なくとも前記上部電極層の上面および側面、並びに、前記コンタクトの側面を直接覆うように、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さく前記上部電極層に対する前記層間絶縁層の応力を緩和する絶縁層で形成され、
前記第７工程において、前記コンタクトは、前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るよう形成される
請求項１０に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項１４】
前記第５工程および前記第６工程では、
前記上部電極層、前記第１の抵抗変化層、前記第２の抵抗変化層および前記下部電極層を覆うように前記層間絶縁層と同じ材料の絶縁層を形成する工程と、
前記層間絶縁層と同じ材料の絶縁層をエッチング除去し、少なくとも前記上部電極層を露出させることで、前記層間絶縁層を形成するとともに、前記ストレス緩和領域層として前記上部電極層に対する前記層間絶縁層の応力を緩和する空気層を形成する工程とを含み、
前記第７工程においては、
前記コンタクトは、前記層間絶縁層を貫通し、前記上部電極層に至るように形成される
請求項１０に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第４工程において、前記上部電極層は、白金族元素の単体または合金で形成される
請求項１１から１４のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項１６】
前記白金族元素は、白金またはパラジウムである
請求項１５に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項１７】
前記第２工程および前記第３工程において、
前記金属酸化物は、タンタル酸化物からなり、
前記第１の抵抗変化層をＴａＯｘ、前記第２の抵抗変化層をＴａＯｙと表したとき、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層は、０．８≦ｘ≦１．９、かつ、２．１≦ｙ＜２．５を満たすように形成される
請求項１１から１４のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、抵抗変化型の不揮発性記憶素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、記憶材料として、化学量論的組成の遷移金属酸化物に対して酸素数が不足した遷移金属酸化物で構成される抵抗変化材料を用いた抵抗変化型の不揮発性記憶素子が提案されている。このような不揮発性記憶素子は、上部電極層と、下部電極層と、上部電極層および下部電極層に挟まれた抵抗変化層と、を備えていて、上部電極層および下部電極層の間に電気パルスを印加することによって抵抗変化層の抵抗値が可逆的に変化する。それ故、この抵抗値に情報を対応させることにより、当該情報を揮発しないようにして記憶することができる（例えば、特許文献１）。このような抵抗変化型の不揮発性記憶素子は、フローティングゲートを用いたフラッシュメモリに比べて、微細化、高速化、低消費電力化を図ることができると期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２３５１３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の抵抗変化型の不揮発性記憶素子では、抵抗変化層、電極等の膜厚および膜組成、並びに、リソグラフィー後のレジスト寸法およびレジスト形状、若しくはドライエッチング後の形状に基づき予想される抵抗値のばらつき（１４％）以上に実際の抵抗値がばらつく（３４０％のばらつき）という問題がある。【０００５】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、抵抗値のばらつきを抑制することが可能な抵抗変化型の不揮発性記憶素子およびその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の一形態の不揮発性記憶素子は、基板と、前記基板上に形成された下部電極層と、前記下部電極層上に形成された金属酸化物で構成される第１の抵抗変化層と、前記第１の抵抗変化層上に形成され、かつ前記第１の抵抗変化層より酸素不足度が小さい金属酸化物で構成される第２の抵抗変化層と、前記第２の抵抗変化層上に形成された上部電極層と、少なくとも前記下部電極層、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層の側面を覆うように形成された層間絶縁層と、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さい材料で設けられ、前記上部電極層に対する応力を緩和するストレス緩和領域層と、上部電極層に至るように形成されたコンタクトと、前記コンタクトに接続される配線パターンと、を備える。【０００７】
この構成により、抵抗値のばらつきを抑制することが可能な抵抗変化型の不揮発性記憶素子を実現できる。具体的には、熱処理によって層間絶縁層から上部電極層へ印加される応力ストレスが少なくとも上部電極層の上面および側面を直接覆っているストレス緩和領域層により緩和されるので、上部電極層へ加えられる層間絶縁層からの応力ストレスを低減させることができる。そのため、上部電極層のマイグレーションによる上部電極層の形状変化（突起の発生）を抑制することができ、抵抗値の初期動作、動作特性にばらつきのない高品質の不揮発性記憶素子を実現することができる。【０００８】
これは、本発明者等の鋭意研究により、従来構成において抵抗値がばらつく原因がストレスマイグレーションによる上部電極層の形状変化（突起の発生）であることを究明したことによる。以下、そのことについて図を用いて説明する。【０００９】
図１２Ａは、従来例における不揮発性記憶素子の構成を示す要部断面図である。【００１０】
図１２Ａに示す不揮発性記憶素子は、上部電極８０２と抵抗変化層８０３と下部電極８０４とで構成される抵抗変化素子８０１を囲むように層間絶縁層８１９を形成し、上部電極８０２に接続するコンタクト８１６および配線８１８を形成することで作製される。ここで、抵抗変化層８０３は、酸素不足度が小さい高抵抗層と酸素不足度が大きい低抵抗層との２層構造で構成されている。抵抗変化素子８０１は、上部電極８０２と酸素不足度が小さい高抵抗層との界面近傍で抵抗変化を起こす。このように作製した不揮発性記憶素子の下部電極８０４または上部電極８０２に電圧を印加することで図１２Ｂに示す抵抗値を測定した。【００１１】
図１２Ｂは、図１２Ａに示す従来例における不揮発性記憶素子の初期抵抗値を示す図である。【００１２】
図１２Ｂの抵抗分布１は従来例における不揮発性記憶素子の初期抵抗値を示している。この抵抗分布１は、従来の半導体プロセスを用いて層間絶縁層８１９の形成後に、熱処理温度が４００℃で処理時間が１０分間の熱処理を２回（層間絶縁層８１９の平坦化処理後に１回、配線８１８形成後に１回）実施して作製した場合の不揮発性記憶素子の抵抗分布である。そして、図１２Ｂに示すように、この抵抗分布１のばらつきは、抵抗値の中央値に対して１σが３４０％である。この抵抗分布１のばらつきは、抵抗変化素子８０１の形状ばらつき（１σが１４％）以上に、非常に大きなばらつきであることがわかる。【００１３】
一方、図１２Ｂの抵抗分布２は従来例における不揮発性記憶素子の初期抵抗値であるが、抵抗分布１とは、作製条件が異なっている。すなわち、この抵抗分布２は、従来の半導体プロセスを用いて層間絶縁層８１９を形成後に、熱処理（熱処理温度が４００℃で処理時間が１０分間）を実施しないで配線８１８の形成後の熱処理のみ（熱処理温度が４００℃で処理時間が１０分間）を実施して作製した場合の不揮発性記憶素子の抵抗分布である。そして、図１２Ｂに示すように、抵抗分布２の抵抗値ばらつきは、１σが３１％である。つまり、抵抗分布１に比べ、熱処理を１回実施しないことで、抵抗値は上昇しているもののばらつきが低減していることがわかる。【００１４】
このように熱処理を実施しないことで抵抗値ばらつきを小さくすることができる。しかし、一般的に、半導体素子または半導体装置の安定性を図るためには上記の熱処理工程は必要不可欠な工程である。なぜなら、熱処理工程を実施しないと、不揮発性記憶素子の抵抗変化動作やエンデュランス、リテンション特性が非常に不安定になってしまうからである。【００１５】
しかしながら、抵抗分布１と抵抗分布２との差から、熱処理が不揮発性記憶素子の抵抗値をばらつかせる要因の一つであることがわかった。【００１６】
図１３は、従来例における不揮発性記憶素子の断面ＴＥＭ画像を示す図である。【００１７】
図１３に示すように、上部電極８０２の抵抗変化層８０３と接する界面において上部電極８０２に突起９０１が形成されていることがわかる。突起９０１の発生すなわち上部電極８０２の形状変化は、上述したように、熱処理（熱処理温度が４００℃で処理時間が１０分間を２回）を行う熱処理工程が要因として考えられる。【００１８】
ここで、一般的に使用される層間絶縁膜（プラズマＴＥＯＳ膜等）は、熱処理により応力が変化する傾向がある。つまり、上述した従来例における不揮発性記憶素子においては、従来の半導体プロセスに一般的に使用される熱処理（熱処理温度が４００℃）により層間絶縁層８１９の応力が変化する。そのため、層間絶縁層８１９と接している上部電極８０２へ層間絶縁層８１９の応力ストレスが加わり、上部電極８０２のマイグレーションが発生する。それにより、図１３に示すような上部電極８０２の抵抗変化層８０３側に形状が変化した突起９０１が形成される。この突起９０１は、抵抗変化層８０３の酸素不足度が小さい高抵抗層に突き刺さるような状態で形成される。【００１９】
その結果、突起９０１が形成された部分の高抵抗層の膜厚は実効的に薄くなるため抵抗値が低下する。また、この突起９０１の形成には上部電極８０２の結晶粒界や結晶粒径の大きさによってマイグレーション量が異なるため、突起９０１の発生量を制御することは困難である。つまり、抵抗変化素子によって突起９０１の発生量や大きさが異なるためその抵抗値がばらついてしまう。【００２０】
なお、図１２Ｂに示す抵抗分布２で抵抗値が上昇しているのは、上述した熱処理による突起９０１の発生量が少なく大きさも小さかったためであると考えられる。【００２１】
以上が、上述した従来の抵抗変化型の不揮発性記憶素子において抵抗値がばらつく原因であり、本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。【００２２】
また、上記目的を達成するために、本発明の一形態の不揮発性記憶素子は、前記層間絶縁層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を、前記ストレス緩和領域層を介して覆うように形成されており、前記コンタクトは、前記層間絶縁層および前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るよう形成されており、前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように前記上部電極層と前記層間絶縁層との間に設けられ、前記上部電極層に対する前記層間絶縁層の応力を緩和するとしてもよい。【００２３】
この構成により、抵抗値のばらつきを抑制することが可能な抵抗変化型の不揮発性記憶素子を実現できる。具体的には、熱処理により層間絶縁層から上部電極層へ印加される応力ストレスを少なくとも上部電極層の上面および側面を直接覆っているストレス緩和領域層により緩和することができる。そのため、マイグレーションによる上部電極層の形状変化（突起の発生）を抑制することができるので、抵抗値の初期動作、動作特性にばらつきのない高品質の不揮発性記憶素子を実現することができる。なお、上述したように、熱処理による応力ストレスの発生は、主に上部電極層と層間絶縁層との界面に加わるので、少なくともこの界面領域（上部電極層の上面と側面）を覆うように層間絶縁層を形成すればよいとしている。【００２４】
また、前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面、並びに、前記コンタクトの側面を直接覆うように設けられているとしてもよい。【００２５】
この構成により、熱処理により層間絶縁層から上部電極層へ印加される応力ストレスは上部電極層を囲んでいるストレス緩和領域層により緩和される。加えて、上部電極層に接するコンタクトと層間絶縁層との間にもストレス緩和領域層を形成することにより、コンタクトに印加される層間絶縁層の応力ストレスもストレス緩和領域層で緩和（低減）することができる。つまり、コンタクトを通して層間絶縁層から上部電極層へ印加される応力ストレスも抑制することができる。それにより、マイグレーションによる上部電極層の形状変化をさらに抑制することができるので、抵抗値の初期動作、動作特性にばらつきのない高品質の不揮発性記憶素子を実現することができる。【００２６】
ここで、前記ストレス緩和領域層は、多孔質構造を有する絶縁層であるとしてもよい。【００２７】
このように、ストレス緩和領域層を、多孔質構造を有する絶縁層で構成することで、隣り合う不揮発性記憶素子を複数含むように形成できる。換言すると、この構成により、不揮発性記憶素子より大きな領域に同時に多孔質構造を有する絶縁層でストレス緩和領域層を形成することが可能である。そのため、プロセスルールにおける最小パターンを用いることなくストレス緩和領域層を形成することができる。つまり、ストレス緩和領域層を形成することに対しては微細なプロセスを必要としないため不揮発性記憶素子の微細化に適する。換言すると、多孔質構造を有する絶縁層を堆積することでストレス緩和領域層を形成することができるため、隣り合う不揮発性記憶素子でストレス緩和領域層となる絶縁層を共有することができ、特殊なプロセスを必要としないため不揮発性記憶素子の微細化工程に好適に用いることができる。【００２８】
また、前記ストレス緩和領域層は、空気層であるとしてもよい。【００２９】
このように、層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さい材料を空気とした空気層で前記ストレス緩和領域層を構成することで、層間絶縁層から上部電極層およびコンタクトへの応力ストレスを確実に防止することができる。そのため、上部電極層に対する応力ストレスを確実に防止することができるので、マイグレーションによる上部電極層の形状変化（突起の発生）を抑制することができる。それにより、抵抗値の初期動作、動作特性にばらつきのないさらに高品質の不揮発性記憶素子を実現することができる。【００３０】
さらに、前記上部電極層は、白金族元素の単体または合金であるとしてもよく、前記白金族元素は、白金またはパラジウムであるとしてもよい。【００３１】
また、前記金属酸化物は、タンタル酸化物ＴａＯｘ（０＜ｘ＜２．５）で構成されとしてもよい。ここで、前記金属酸化物は、タンタル酸化物からなり、前記第１の抵抗変化層をＴａＯｘ、前記第２の抵抗変化層をＴａＯｙと表したとき、０．８≦ｘ≦１．９、かつ、２．１≦ｙ＜２．５であるとするのが好ましい。【００３２】
この構成により、上部電極層の突起の発生を抑制することができ、安定した形状の上部電極層と酸素不足度が小さい第２の抵抗変化層を形成することができるだけでなく、動作の高速性に加えて可逆的に安定した書き換え特性と良好なリテンション特性を有する不揮発性記憶素子を実現することができる。【００３３】
また、本発明の一形態における不揮発性記憶素子の製造方法は、前記基板上に下部電極層を形成する第１工程と、前記下部電極層上に金属酸化物で構成される第１の抵抗変化層を形成する第２工程と、前記第１の抵抗変化層より酸素不足度が小さい金属酸化物で構成される第２の抵抗変化層を前記第１の抵抗変化層上に形成する第３工程と、前記第２の抵抗変化層上に上部電極層を形成する第４工程と、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように、前記上部電極層に対する応力を緩和するストレス緩和領域層を設ける第５工程と、少なくとも前記下部電極層、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層の側面を覆うように層間絶縁層を形成する第６工程と、上部電極層に至るようコンタクト形成する第７工程と、前記コンタクトに接続される配線パターンを形成する第８工程と、を含み、前記第５工程において、前記ストレス緩和領域層は、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さい材料で設けられる。【００３４】
それにより、熱処理によって層間絶縁層から上部電極層へ印加される応力ストレスが少なくとも上部電極層の上面および側面を直接覆っているストレス緩和領域層により緩和され、上部電極層へ加えられる層間絶縁層からの応力ストレスを低減させることができるので、抵抗値のばらつきを抑制することが可能な抵抗変化型の不揮発性記憶素子の製造方法を実現できる。つまり、上部電極層のマイグレーションによる上部電極層の形状変化（突起の発生）を抑制することができ、抵抗値の初期動作、動作特性にばらつきのない高品質の不揮発性記憶素子を実現することができる。【００３５】
また、前記第５工程において、前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さい絶縁層で設けられ、前記第６工程において、前記層間絶縁層は、前記ストレス緩和領域層を介して、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を覆うように形成され、前記第７工程において、前記コンタクトは、前記層間絶縁層および前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るように形成されるとしてもよい。【００３６】
それにより、少なくとも上部電極層と層間絶縁層との間にストレス緩和領域層を形成することが可能であるため、熱処理により層間絶縁層から上部電極層へ印加される応力ストレスをストレス緩和領域層で緩和（低減）することができる。そのため、マイグレーションによる上部電極層の形状変化（突起の発生）を抑制することが可能であり、抵抗値の初期動作、動作特性にばらつきのない高品質の不揮発性記憶素子を実現することができる。【００３７】
また、前記第５工程および前記第６工程は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を覆うように、後に除去される犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を、前記犠牲層を介して覆うように、前記層間絶縁層を形成する工程と、前記犠牲層を除去することにより、前記上部電極層に対する前記層間絶縁層の応力を緩和する空気層を前記ストレス緩和領域層として形成する空気層形成工程とを含み、前記第７工程は、前記層間絶縁層および前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るようにコンタクト開口部を形成する開口部形成工程と、前記コンタクト開口部に前記コンタクトを形成する工程とを含み、前記空気層形成工程において、前記ストレス緩和領域層は、前記開口部形成工程後、前記コンタクト開口部からエッチングにより前記犠牲層を除去することにより、形成されるとしてもよい。【００３８】
それにより、少なくとも上部電極層と層間絶縁層との間にストレス緩和領域層として空気層（エアギャップ）を形成することが可能であるため、層間絶縁層から上部電極層への応力ストレスを確実に防止できる。そのため、マイグレーションによる上部電極層の形状変化（突起の発生）を抑制することができるので、抵抗値の初期動作、動作特性にばらつきのないさらに高品質の不揮発性記憶素子を実現することができる。【００３９】
また、前記第６工程では、前記上部電極層、前記第１の抵抗変化層、前記第２の抵抗変化層および前記下部電極層を覆うように前記層間絶縁層と同じ材料の絶縁層を形成する工程と、前記層間絶縁層と同じ材料の絶縁層をエッチング除去し、少なくとも前記上部電極層を露出させることで、前記層間絶縁層を形成する工程とを含み、前記第５工程において、前記ストレス緩和領域層は、前記第６工程の後に、少なくとも前記上部電極層の上面および側面、並びに、前記コンタクトの側面を直接覆うように、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さく前記上部電極層に対する前記層間絶縁層の応力を緩和する絶縁層で形成され、前記第７工程において、前記コンタクトは、前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るよう形成されるとしてもよい。【００４０】
それにより、少なくとも上部電極層と層間絶縁層との間、および、上部電極層と接するコンタクトと層間絶縁層との間に、ストレス緩和領域層を形成することが可能である。そのため、熱処理により層間絶縁層から上部電極層へ印加される応力ストレスをストレス緩和領域層で緩和（低減）することができる。さらに、層間絶縁層から上部電極層に接するコンタクトに印加される応力ストレスもストレス緩和領域層で緩和することができるため、コンタクトを介して層間絶縁層から上部電極層へ印加される応力ストレスも緩和することができる。【００４１】
このようにして、マイグレーションによる上部電極層の形状変化（突起の発生）をさらに抑制することがきるので、抵抗値の初期動作、動作特性にばらつきのないさらに高品質の不揮発性記憶素子を実現することができる。【００４２】
また、前記第５工程および前記第６工程では、前記上部電極層、前記第１の抵抗変化層、前記第２の抵抗変化層および前記下部電極層を覆うように前記層間絶縁層と同じ材料の絶縁層を形成する工程と、前記層間絶縁層と同じ材料の絶縁層をエッチング除去し、少なくとも前記上部電極層を露出させることで、前記層間絶縁層を形成するとともに、前記ストレス緩和領域層として前記上部電極層に対する前記層間絶縁層の応力を緩和する空気層を形成する工程とを含み、前記第７工程においては、前記コンタクトは、前記層間絶縁層を貫通し、前記上部電極層に至るように形成されるとしてもよい。【００４３】
それにより、少なくとも上部電極層と層間絶縁層との間、および、上部電極層と接するコンタクトと層間絶縁層との間に、ストレス緩和領域層として空気層（エアギャップ）を形成することが可能であるため、熱処理により層間絶縁層から上部電極層へ加えられる応力ストレスを、ストレス緩和領域層で確実に防止することができる。さらに、層間絶縁層から上部電極層に接するコンタクトに加えられる応力ストレスもストレス緩和領域層で確実に防止することができ、コンタクトを介して層間絶縁層から上部電極層へ加えられる応力ストレスも確実に防止することができる。【００４４】
このようにして、マイグレーションによる上部電極層の形状変化をさらに抑制することがきるので、抵抗値の初期動作、動作特性にばらつきのないさらに高品質の不揮発性記憶素子を実現することができる。【００４５】
ここで、前記第４工程において、前記上部電極層は、白金族元素の単体または合金で形成されるとするのが好ましく、特に、前記白金族元素は、白金またはパラジウムであるとすることが好ましい。【００４６】
また、前記第２工程および前記第３工程において、前記金属酸化物は、タンタル酸化物からなり、前記第１の抵抗変化層をＴａＯｘ、前記第２の抵抗変化層をＴａＯｙと表したとき、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層は、０．８≦ｘ≦１．９、かつ、２．１≦ｙ＜２．５を満たすように形成されるとしてもよい。【００４７】
それにより、上部電極層の突起の発生を抑制し、安定した形状の上部電極層と酸素不足度が小さい抵抗変化層を形成することができるため、動作の高速性に加えて可逆的に安定した書き換え特性と良好なリテンション特性を有する不揮発性記憶素子を実現することができる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によれば、抵抗値のばらつきを抑制することが可能な抵抗変化型の不揮発性記憶素子およびその製造方法を実現できる。本発明の不揮発性記憶素子は、少なくとも上部電極層と層間絶縁層との間に、ストレス緩和領域層が形成されているので、熱処理により層間絶縁層から上部電極層へ加えられる応力ストレスを緩和することができ、応力ストレスによる上部電極層の形状変化を抑制することができる。また、さらに、上部電極層に接するコンタクトに加えられる層間絶縁層の応力ストレスもストレス緩和領域層により緩和または防止することもできるため、マイグレーションによる上部電極層の形状変化を抑制することも可能である。それにより、抵抗値の初期動作、動作特性にばらつきのない、さらに高品質の不揮発性記憶素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る不揮発性記憶素子の構成を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る不揮発性記憶素子の構成を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態１に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施の形態１に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の実施の形態１に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の実施の形態１に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、本発明の実施の形態１に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、本発明の実施の形態１に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施の形態１に係るプラズマＴＥＯＳ膜成膜時の上部電極パワーと、成膜されたプラズマＴＥＯＳ膜の応力との関係を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の実施の形態１に係るプラズマＴＥＯＳ膜成膜時の上部電極パワーと、成膜されたプラズマＴＥＯＳ膜を用いた不揮発性記憶素子の初期抵抗ばらつきとの関係を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施の形態２に係る不揮発性記憶素子の構成を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施の形態２に係る不揮発性記憶素子の構成を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の実施の形態２に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の実施の形態２に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明の実施の形態２に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本発明の実施の形態２に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、本発明の実施の形態２に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、発明の実施の形態３に係る不揮発性記憶素子の構成を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、発明の実施の形態３に係る不揮発性記憶素子の構成を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の実施の形態３に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の実施の形態３に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の実施の形態３に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、本発明の実施の形態３に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図７Ｅ】図７Ｅは、本発明の実施の形態３に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の実施の形態３の変形例に係る不揮発性記憶素子の構成を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の実施の形態３の変形例に係る不揮発性記憶素子の構成を示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の実施の形態３の変形例に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の実施の形態３の変形例に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、本発明の実施の形態３の変形例に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは、本発明の実施の形態３の変形例に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図９Ｅ】図９Ｅは、本発明の実施の形態３の変形例に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の実施の形態４に係る不揮発性記憶素子の構成を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の実施の形態４に係る不揮発性記憶素子の構成を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の実施の形態４に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の実施の形態４に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本発明の実施の形態４に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、本発明の実施の形態４に係る不揮発性記憶素子の製造方法の工程を示す断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、従来例における不揮発性記憶素子の構成を示す要部断面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１２Ａに示す従来例における不揮発性記憶素子の抵抗分布を示す図である。
【図１３】図１３は、従来例における不揮発性記憶素子の断面ＴＥＭ画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下、本発明の実施の形態に係る不揮発性記憶素子とその製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、図面において、同一の符号が付いたものは、同一の構成要素を意味しており、既に説明をしている場合には、説明を省略する場合がある。また、図面は理解を容易にするために、各々の構成要素を模式的に示しており、形状などについては正確ではなく、その個数等についても図示しやすい個数としている。
【００５１】
（実施の形態１）
［不揮発性記憶素子の構成］
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る不揮発性記憶素子の構成を示す図である。図１Ａは平面図を示しており、図１Ｂは図１ＡのＡ−Ａ‘線の断面を矢印方向に見た断面図を示している。図１Ａおよび図１Ｂは抵抗変化素子１０が２つで構成される場合の例を示している。本実施の形態では、少なくとも上部電極層１０４を覆うように応力を低減させた絶縁層をストレス緩和領域層１０５として設ける。そして、このストレス緩和領域層１０５は、上部電極層１０４と第２の層間絶縁層１９との界面での応力ストレスを緩和する機能を有する。
【００５２】
図１Ｂに示す不揮発性記憶素子１は、抵抗変化素子１０と、シリコン基板１１と、ソースまたはドレイン層１２と、ゲート層１３と、第１の層間絶縁層１４と、第１のコンタクト１５と、第２のコンタクト１６と、第３のコンタクト１７と、配線パターン１８と、第２の層間絶縁層１９と、ストレス緩和領域層１０５とを備える。抵抗変化素子１０は、下部電極層１０２と、第１の抵抗変化層１０３ａと、第２の抵抗変化層１０３ｂと、上部電極層１０４とを備える。
【００５３】
ゲート層１３は、シリコン基板１１上に形成されている。
【００５４】
ソースまたはドレイン層１２は、シリコン基板１１上に形成されている。
【００５５】
第１のコンタクト１５は、ソースまたはドレイン層１２と、抵抗変化素子１０の下部電極層１０２と接続するよう、第１の層間絶縁層１４を貫通して形成されている。第１のコンタクト１５は、例えばタングステンや銅などを用いて形成される。
【００５６】
抵抗変化素子１０は、第１の層間絶縁層１４および第１のコンタクト１５上に形成されている。具体的には、下部電極層１０２は、第１のコンタクト１５上に第１のコンタクト１５と接続するように形成される。第１の抵抗変化層１０３ａは、下部電極層１０２上に形成され、金属酸化物で構成される。第２の抵抗変化層１０３ｂは、第１の抵抗変化層１０３ａ上に形成され、第１の抵抗変化層１０３ａより酸素不足度が小さい金属酸化物で構成される。なお、第１の抵抗変化層１０３ａと第２の抵抗変化層１０３ｂとの積層構造は、抵抗変化素子１０の抵抗変化層１０３として形成される。また、上部電極層１０４は、第２の抵抗変化層１０３ｂの上に実質的に平坦に形成されている。ここで、実質的に平坦とは、例えば、突起の最上端と最下端との長さが５ｎｍ以下である場合をいう。
【００５７】
ここで、第１の抵抗変化層１０３ａと第２の抵抗変化層１０３ｂとはそれぞれ、酸素不足型の遷移金属酸化物で構成された第１の遷移金属酸化物層と、第１の遷移金属酸化物層ａよりも酸素不足度が小さい遷移金属酸化物で構成された第２の遷移金属酸化物層とで構成されている。本実施の形態においては、その一例として、第１の遷移金属と第２の遷移金属とに同種の遷移金属を用い、第１の抵抗変化層１０３ａは酸素不足型の第１のタンタル酸化物層（ＴａＯｘ）で構成され、第２の抵抗変化層１０３ｂは第２のタンタル酸化物層（ＴａＯｙ）で構成されている。第１のタンタル酸化物層ＴａＯｘは０．８≦ｘ≦１．９、第２のタンタル酸化物層ＴａＯｙは２．１≦ｙ＜２．５であることが好ましい。ここで、酸素不足型の遷移金属酸化物とは、酸素が化学量論組成から不足した遷移金属酸化物をいう。ＴａＯｘ（０．８≦ｘ≦１．９）およびＴａＯｙ（０．８＜ｙ＜２．５、ｘ＜ｙ）の積層構造であれば、不揮発性記憶素子の動作の高速化を図ることができ、可逆的に安定した書き換え特性等が得られるからである。第１の抵抗変化層１０３ａの膜厚は例えば２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度であり、第２の抵抗変化層１０３ｂの膜厚は例えば２ｎｍ以上１２ｎｍ以下程度である。
【００５８】
ここで、酸素不足度とは、それぞれの遷移金属において、その化学量論的組成の酸化物を構成する酸素の量に対し、不足している酸素の割合をいう。通常、化学量論的組成の酸化物は、絶縁体的な特性を示すことが多く、酸素不足型の遷移金属酸化物は半導体的な特性を示すことが多い。つまり、第２の抵抗変化層１０３ｂは、第１の抵抗変化層１０３ａよりも酸素不足度を小さくして抵抗が高い方が好ましい。このような構成とすることにより、抵抗変化時に上部電極層１０４及び下部電極層１０２間に印加された電圧は、第２の抵抗変化層１０３ｂに、より多くの電圧が分配され、第２の抵抗変化層１０３ｂ中で発生する酸化還元反応をより起こしやすくすることができる。ここで、第１の抵抗変化層１０３ａを構成する第１の遷移金属と、第２の抵抗変化層１０３ｂを構成する第２の遷移金属とは、同じ材料を用いてもよいし、異なる材料を用いてもよい。遷移金属としては、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）等を用いることができる。遷移金属は複数の酸化状態をとることができるため、異なる抵抗状態を酸化還元反応により実現することが可能である。第１の遷移金属と第２の遷移金属とが互いに異なる材料を用いる場合、第２の遷移金属の標準電極電位は、第１の遷移金属の標準電極電位より小さい方が好ましい。抵抗変化現象は、抵抗が高い第２の抵抗変化層１０３ｂ中に形成された微小なフィラメント中で酸化還元反応が起こってその抵抗値が変化し、発生すると考えられるからである。また、第２の抵抗変化層１０３ｂの誘電率は第１の抵抗変化層１０３ａの誘電率より大きい方が好ましい。あるいは、第２の抵抗変化層１０３ｂのバンドギャップは第１の抵抗変化層１０３ａのバンドギャップより小さい方が好ましい。前記の条件のいずれか一方または両方を満足する第１の抵抗変化層１０３ａ及び第２の抵抗変化層１０３ｂを抵抗変化層１０３に用いることにより、第２の抵抗変化層１０３ｂの絶縁破壊電界強度が第１の抵抗変化層１０３ａの絶縁破壊電界強度に比べて小さくなり、初期ブレイク電圧が低減できる。これは、Ｊ．ＭｃＰｈｅｒｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．，ＩＥＤＭ  ２００２，ｐ．６３３−６３６（非特許文献）の図１に示されているように酸化物層の絶縁破壊電界強度（Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈ）と誘電率との間には、誘電率が大きいほど絶縁破壊電界強度が小さくなるという相関関係が見られるためである。また、Ｊ．ＭｃＰｈｅｒｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．，ＩＥＤＭ  ２００２，ｐ．６３３−６３６の図２に示されているように、酸化物層の絶縁破壊電界とバンドギャップとの間には、バンドギャップが大きいほど絶縁破壊電界強度が大きくなるという相関関係が見られるためである。
【００５９】
例えば、第１の抵抗変化層１０３ａとして酸素不足型の第１のタンタル酸化物層ＴａＯｘ（０．８≦ｘ≦１．９）を用いた場合、好ましくは第１の抵抗変化層１０３ａの膜厚は４５ｎｍである。第２の抵抗変化層１０３ｂとして酸素不足型の第２のタンタル酸化物層ＴａＯｙ（２．１≦ｙ＜２．５）を用いた場合、好ましくは第２の抵抗変化層１０３ｂの膜厚は５ｎｍである。
【００６０】
なお、本発明の作用効果は、タンタル酸化物の場合に限って発現されるものではなく、本発明はこれに限定されない。例えば、ハフニウム（Ｈｆ）酸化物の積層構造やジルコニウム（Ｚｒ）酸化物の積層構造などであってもよい。
【００６１】
例えばハフニウム酸化物の積層構造を採用する場合は、第１のハフニウム酸化物の組成をＨｆＯｘとし、第２のハフニウム酸化物の組成をＨｆＯｙとすると、０．９≦ｘ≦１．６であって、ｙが１．８＜ｙ＜２．０であることが好ましい。また、例えばジルコニウム酸化物の積層構造を採用する場合は、第１のジルコニウム酸化物の組成をＺｒＯｘとし、第２のジルコニウム酸化物の組成をＺｒＯｙとすると、０．９≦ｘ≦１．４であって、ｙが１．９＜ｙ＜２．０であることが好ましい。
【００６２】
上部電極層１０４の膜厚は、５０ｎｍ程度が好ましい。また、上部電極層１０４は、白金族元素の単体または合金を含んでおり、単層構造でも複数層の積層構造で構成されるとしてもよい。ここで、白金族元素とは、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）をいう。上部電極層１０４の材料をこのように限定する理由は、白金またはパラジウムは、標準電極電位がいずれもＴａ、Ｈｆ、Ｚｒ等抵抗変化層１０３を構成する遷移金属より大きい。そのため、電極自体が酸化されにくく抵抗変化材料の酸化・還元反応を促進するため、電極材料として適していてかつ、融点が高く、酸やアルカリに侵されにくいという互いに似通った性質を有しているからである。
【００６３】
ここで、上部電極層１０４は、白金、およびパラジウムから選択される１つの材料の単体または合金若しくは２つ以上の材料の組み合わせの合金を含んでいることが好ましい。抵抗変化層１０３の材料が酸素不足型の遷移金属酸化物である場合には、上部電極層１０４が、酸素不足型の遷移金属酸化物の当該遷移金属の標準電極電位より高い標準電極電位を有していて、他方の電極の標準電極電位がもう一方の電極の標準電極電位より小さくなるような材料を選ぶ。それにより、標準電極電位が高い方の電極と抵抗変化層の界面に、印加される電圧に応じて高酸素濃度あるいは低酸素濃度の抵抗変化層を形成でき、安定動作が得られる。特に、酸素不足型の遷移金属酸化物がタンタル酸化物である場合には、酸素不足度が小さい第２のタンタル酸化物層に接する電極に白金、またはパラジウム等を用い、酸素不足度が大きい第１のタンタル酸化物層に接する電極にＴａ、ＴａＮ、Ｔｉ等を用いると、この条件を満たす。酸素不足型の遷移金属酸化物がハフニウム酸化物である場合は、酸素不足度が大きい第１のハフニウム酸化物層に接する電極にＨｆ、Ｔｉ、Ａｌ等を用いると、この条件を満たす。ジルコニウム酸化物の場合も同様に、酸素不足度が大きい第１のジルコニウム酸化物層に接する電極にＺｒ、Ｔｉ、Ａｌ等を用いるとよい。酸素不足度が小さい第２の遷移金属酸化物層に接する電極には、いずれも白金、またはパラジウムを用いる。
【００６４】
ストレス緩和領域層１０５は、少なくとも上部電極層１０４の上面および側面を直接覆うように設けられる。ストレス緩和領域層１０５は、上部電極層１０４に対する応力を緩和する（低減させる）。なお、図１Ｂでは、ストレス緩和領域層１０５は、第２の抵抗変化層１０３ｂ、第１の抵抗変化層１０３ａ、及び下部電極層１０２の側面も覆っているが、これらの側面を必ずしも覆わないように構成してもよい。以降の明細書及び請求項の記載においては、図１Ｂに示すストレス緩和領域層１０５のように、上部電極層１０４に直接的に接するように覆うことを意味する場合は「直接覆う」と記載する。また、図１Ｂに示す第２の層間絶縁層１９のように、第２の抵抗変化層１０３ｂ、第１の抵抗変化層１０３ａ、及び下部電極層１０２の側面を、ストレス緩和領域層１０５を介して間接的に覆う場合や、後述する図８Ｂの第２の層間絶縁層１９４のように、ストレス緩和領域層４０５を介することなく直接的に第２の抵抗変化層１０３ｂ、第１の抵抗変化層１０３ａ、及び下部電極層１０２の側面を覆う場合、のいずれでもよい場合は、単に「覆う」と記載する。
【００６５】
ここで、ストレス緩和領域層１０５は、第２の層間絶縁層１９からの上部電極層１０４への応力ストレスを緩和するために、第２の層間絶縁層１９に用いられる絶縁層材料より応力が小さい材料を用いることが好ましい。
【００６６】
一例を挙げると、ストレス緩和領域層１０５は、例えば、第２の層間絶縁層１９に一般的に使用されるプラズマＴＥＯＳ膜を用いた場合、そのプラズマＴＥＯＳ膜を堆積する際に印加する一般的に使用されるプラズマパワー（例えば、上部電極のパワーが１２００Ｗ、下部電極のパワーが５００Ｗ）に対する上部電極のパワーを低減させて（例えば、上部電極のパワーが８５０Ｗあるいは５００Ｗにして）堆積したプラズマＴＥＯＳ膜、または多孔質構造を有する絶縁層（ポーラスシリカ等）で形成されることが好ましい。この場合、一般的な条件で成膜したプラズマＴＥＯＳ膜の応力が約３００ＭＰａであるのに対し、上部電極のパワーを低下させ、８５０Ｗにすると成膜したプラズマＴＥＯＳ膜の応力は約２４０ＭＰａとなる。また、上部電極のパワーをさらに低下させ、５００Ｗにすると成膜したプラズマＴＥＯＳ膜の応力は２３０ＭＰａとなる。このようにストレス緩和領域層１０５を形成することにより、上部電極層１０４に印加される応力ストレスを低減することができる。そして、それにともなって抵抗変化層１０３の初期抵抗のばらつきを低減できる。
【００６７】
また、ストレス緩和領域層１０５に例えばポーラスシリカを用いて形成する場合、成膜したポーラスシリカの応力は３０ＭＰａである。このように、ストレス緩和領域層１０５をポーラスシリカで構成する場合、ストレス緩和領域層１０５を上部電極のパワーを低下させて成膜したプラズマＴＥＯＳ膜で構成する場合と比べてさらに初期抵抗のばらつき低減が期待できる。
【００６８】
第２の層間絶縁層１９は、下部電極層１０２、第１の抵抗変化層１０３ａおよび第２の抵抗変化層１０３ｂの側面、並びに、上部電極層１０４の側面および上面を覆うように、ストレス緩和領域層１０５を介して形成されている。
【００６９】
第２のコンタクト１６は、上部電極層１０４に至るように、第２の層間絶縁層１９およびストレス緩和領域層１０５を貫通して形成されている。第３のコンタクト１７は、ソースまたはドレイン層１２に至るように、第２の層間絶縁層１９および第１の層間絶縁層１４を貫通して形成されている。ここで、第２のコンタクト１６および第３のコンタクト１７は、第１のコンタクト１５と同様に例えばタングステンや銅などを用いて形成される。
【００７０】
配線パターン１８は、第２の層間絶縁層１９の上面に形成され、第２のコンタクト１６と第３のコンタクト１７にそれぞれ接続する。これにより、第２のコンタクト１６によって抵抗変化素子１０の上部電極層１０４が配線パターン１８に接続され、第３のコンタクト１７によってソースまたはドレイン層１２が配線パターン１８に接続されている。配線パターン１８は銅などを用いて形成される。
【００７１】
以上のように、不揮発性記憶素子１は構成されている。
【００７２】
［不揮発性記憶素子の動作］
次に、以上のように構成された不揮発性記憶素子１の動作について説明する。
【００７３】
この不揮発性記憶素子１は、下部電極層１０２と上部電極層１０４との間に第１の所定の電気的パルス（電流パルスまたは電圧パルス）と第２の所定の電気的パルスとが印加されて動作する。
【００７４】
ここでは、第１の所定の電気的パルスの一例として、下部電極層１０２に対して負の極性の電圧パルスを上部電極層１０４に印加するとする。すると、この第１の所定の電気的パルスの印加によって、下部電極層１０２と上部電極層１０４との間に配されている第２の抵抗変化層（高抵抗層）１０３ｂから第１の抵抗変化層１０３ａに、酸素イオンが拡散することになる。これにより、この第１の抵抗変化層１０３ａと第２の抵抗変化層１０３ｂとで構成される抵抗変化層１０３は第１の所定の抵抗値（低抵抗値）となり、その状態を維持する。
【００７５】
一方、下部電極層１０２と上部電極層１０４との間に第２の所定の電気的パルス（ここでは、下部電極層１０２に対して正の極性の電圧パルスとする）を印加すると、第１の抵抗変化層１０３ａから第２の抵抗変化層１０３ｂに酸素イオンが拡散する。これにより、第１の抵抗変化層１０３ａと第２の抵抗変化層１０３ｂとで構成される抵抗変化層１０３の抵抗値は第２の所定の抵抗値（高抵抗値）となり、その状態を維持する。
【００７６】
本実施の形態の抵抗変化層１０３すなわち酸素不足度が小さい第２の抵抗変化層１０３ｂと酸素不足度が大きい第１の抵抗変化層１０３ａとの積層構造においては、抵抗変化は主として第２の抵抗変化層１０３ｂの上部電極層１０４との界面近傍で起こっていると考えられる。
【００７７】
ここで、第１の所定の抵抗値と第２の所定の抵抗値とを、例えば２値データの２つの値にそれぞれ対応させる。例えば、第１の所定の抵抗値（上記の場合、低抵抗値）を２値データの「１」、第２の所定の抵抗値（上記の場合、高抵抗値）を２値データの「０」に対応させる。
【００７８】
その結果、第１または第２の所定の電気的パルスを第１の抵抗変化層１０３ａと第２の抵抗変化層１０３ｂに印加することにより、不揮発性記憶素子１に２値データを書き込むことができる。また、不揮発性記憶素子１に対し、第１の抵抗変化層１０３ａと第２の抵抗変化層１０３ｂの抵抗値が変化しないような電圧または電流を供給して、その抵抗値を検出することにより、不揮発性記憶素子１に書き込まれた２値データを読み出すことができる。
【００７９】
このようにして、下部電極層１０２と上部電極層１０４との間に配されている第１の抵抗変化層１０３ａと第２の抵抗変化層１０３ｂとが、記憶部として機能することになる。
【００８０】
また、この不揮発性記憶素子１は、ゲート層１３並びにソースまたはドレイン層１２で構成されるトランジスタ（電圧または電流供給スイッチ）に接続されている。そのため、このトランジスタにより制御された電圧または電流を不揮発性記憶素子１に印加することで、不揮発性記憶素子１に２値のデータを書き込むことができるだけでなく、不揮発性記憶素子１に書き込まれた２値のデータを読み出すことができる。
【００８１】
本実施の形態では、第２の層間絶縁層１９と上部電極層１０４の間に、第２の層間絶縁層１９より応力の小さい絶縁層で構成されるストレス緩和領域層１０５を形成する。それにより、製造中の熱処理等により発生する第２の層間絶縁層１９からの応力ストレスはストレス緩和領域層１０５で低減されるので、上部電極層１０４に印加される応力ストレスが低減される。なお、この理由については、後述するためここでの説明は省略する。したがって、本実施の形態の抵抗変化素子１０では、応力ストレスによる上部電極層１０４の形状変化（突起）が抑制されるので、上部電極層１０４は、実質的に平坦を維持することができる。ここで、実質的に平坦とは、上述したように、例えば、突起の最上端と最下端との長さが５ｎｍ以下である場合をいう。
【００８２】
これにより、高抵抗な第２の抵抗変化層１０３ｂの形状も安定するので、ばらつきを抑えた抵抗変化素子１０の抵抗値を得ることができ、安定した２値のデータを得ることができる。
【００８３】
［不揮発性記憶素子の製造方法］
次に、本発明の実施の形態１に係る不揮発性記憶素子１の製造方法について説明する。
【００８４】
図２Ａ〜図２Ｆは、本発明の実施の形態１に係る不揮発性記憶素子１の製造方法の工程を示す断面図である。なお、シリコン基板１１上には多数の不揮発性記憶素子１が形成されるが、図面の簡略化のため、ここでは１個の不揮発性記憶素子のみを図示している。また、理解しやすいように、一部を拡大して示している。
【００８５】
まず、図２Ａに示す工程において、シリコン基板１１上にゲート層１３、ソースまたはドレイン層１２を形成後、プラズマＴＥＯＳ膜やＳｉＯ２などで構成される第１の層間絶縁層１４を形成する。次いで、第１の層間絶縁層１４を貫通してソースまたはドレイン層１２と接続する第１のコンタクト１５を形成する。ここで、第１のコンタクトは、例えばタングステンや銅などを用いて形成される。
【００８６】
次に、図２Ｂに示す工程において、第１のコンタクト１５の露出した上面を直接被覆するように第１の層間絶縁層１４上に、下部電極層１０２、第１の抵抗変化層１０３ａ、第２の抵抗変化層１０３ｂ、上部電極層１０４をこの順に形成する。
【００８７】
なお、以下では、所定のパターン形状にエッチングされた状態だけではなく、成膜した状態をも含めて、下部電極層１０２、第１の抵抗変化層１０３ａ、第２の抵抗変化層１０３ｂおよび上部電極層１０４と呼ぶ場合もある。
【００８８】
次に、図２Ｃに示す工程において、通常の露光プロセスおよび現像プロセスおよび、ドライエッチングプロセスにより、上部電極層１０４、第２の抵抗変化層１０３ｂ、第１の抵抗変化層１０３ａおよび下部電極層１０２を所定の形状パターンに形成する。下部電極層１０２として窒化タンタル（ＴａＮ）を３０ｎｍ、第１の抵抗変化層１０３ａとして酸素不足型の酸化タンタル（ＴａＯｘと表記したとき、０．８≦ｘ≦１．９）を４５ｎｍ、第２の抵抗変化層１０３ｂとして酸素不足型の酸化タンタル（ＴａＯｙと表記したとき、０．８＜ｙ＜２．５、ｘ＜ｙ）５ｎｍ、上部電極層１０４として白金（Ｐｔ）を５０ｎｍとなる抵抗変化素子１０を形成する。
【００８９】
このとき、第１の抵抗変化層１０３ａとしてのＴａＯｘは、Ｔａターゲットを用い、酸素を含む雰囲気中でスパッタする反応性スパッタ法により５０ｎｍ堆積した後に、ＴａＯｘの上面を酸素雰囲気中のプラズマ酸化で酸化処理するとしてもよい。それにより、ＴａＯｘで構成される第１の抵抗変化層１０３ａの上にＴａＯｘより酸素不足度が小さいＴａＯｙ（０．８＜ｙ＜２．５、ｘ＜ｙ）で構成される第２の抵抗変化層１０３ｂを５ｎｍ形成する。この場合、酸化処理方法はプラズマ酸化に限られることはなく、例えば、酸素雰囲気中の熱処理などの表面を酸化させる効果のある処理をしてもよい。また、ＴａＯｘを４５ｎｍ堆積した後に、酸化処理の代わりに、Ｔａ２Ｏ５を５ｎｍ堆積するとしてもよい。反応性スパッタは、スパッタ雰囲気中の酸素濃度を変えたり、ターゲットに遷移金属酸化物ターゲットを用いることにより、膜中に含まれる酸素不足度を調整することができる。ハフニウムやジルコニウム酸化物の積層構造を形成する場合も同様の方法で行うことができる。なお、第１の抵抗変化層１０３ａは、１０ｎｍ以上の厚さを有していることが望ましい。また、第２の抵抗変化層１０３ｂの厚さは、タンタル酸化物の場合は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、ハフニウム酸化物の場合は３ｎｍ以上４ｎｍ以下、ジルコニウム酸化物の場合は１ｎｍ以上５ｎｍ以下が望ましい。
【００９０】
以上のようにして、上部電極層１０４、第２の抵抗変化層１０３ｂ、第１の抵抗変化層１０３ａおよび下部電極層１０２から構成される抵抗変化素子１０が形成される。換言すると、シリコン基板１１上に下部電極層１０２を形成し、下部電極層１０２上に金属酸化物で構成される第１の抵抗変化層１０３ａを形成する。そして、第１の抵抗変化層１０３ａより酸素不足度が小さい金属酸化物で構成される第２の抵抗変化層１０３ｂを第１の抵抗変化層１０３ａ上に形成し、第２の抵抗変化層１０３ｂ上に上部電極層１０４を形成することにより、抵抗変化素子１０を形成する。
【００９１】
次に、図２Ｄに示す工程において、少なくとも上部電極層１０４の上面および側面を直接覆うように、上部電極層１０４に対する応力を緩和するストレス緩和領域層１０５を設ける。具体的には、第１の層間絶縁層１４の上面と、下部電極層１０２、第１の抵抗変化層１０３ａおよび第２の抵抗変化層１０３ｂの側面と、上部電極層１０４の上面および側面とを直接被覆するように、ストレス緩和領域層１０５を形成する。
【００９２】
ここで、ストレス緩和領域層１０５が、以降の工程で形成される第２の層間絶縁層１９からの上部電極層１０４への応力ストレスを緩和するために、第２の層間絶縁層１９に使用する絶縁層材料より応力が小さい材料でストレス緩和領域層１０５を構成することが好ましい。例えば、ストレス緩和領域層１０５は、上述したように、プラズマＴＥＯＳ膜を第２の層間絶縁層１９に用いる場合には、一般的なプラズマＴＥＯＳ膜堆積時の一般的に使用されるプラズマパワー（上部電極のパワーが１２００Ｗ、下部電極のパワーが５００Ｗ）に対して、上部電極のパワーを低減させて（上部パワーが８５０Ｗあるいは５００Ｗにして）堆積することで、膜の応力を低減させたプラズマＴＥＯＳ膜を形成する。また、ストレス緩和領域層１０５は、上述したように、多孔質構造を有する絶縁層（ポーラスシリカ等）で形成するとしてもよい。
【００９３】
次に、図２Ｅに示す工程において、少なくとも下部電極層１０２、第１の抵抗変化層１０３ａおよび第２の抵抗変化層１０３ｂの側面を覆うように第２の層間絶縁層１９を形成し、上部電極層１０４に至るよう第２のコンタクト１６を形成する。
【００９４】
具体的には、まず、第２の層間絶縁層１９は、ストレス緩和領域層１０５を介して、少なくとも上部電極層１０４の上面および側面を覆うように形成される。ここでは、第２の層間絶縁層１９は、ストレス緩和領域層１０５を覆うように形成される。次いで、抵抗変化素子１０の上部電極層１０４と接続する第２のコンタクト１６を形成する所定の位置に、第２の層間絶縁層１９およびストレス緩和領域層１０５を貫通し上部電極層１０４に至るように、第２のコンタクト開口部１６Ａを形成する。
【００９５】
より具体的には、図２Ｄおよび図２Ｅに示す工程においては、まず、ストレス緩和領域層１０５として、プラズマＴＥＯＳ膜成膜装置の上部電極のパワーを従来の１２００Ｗから８５０Ｗ以下に低減させて応力を低減させたプラズマＴＥＯＳ膜を１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下で堆積させる。次いで、レジストマスクを用いた従来の半導体プロセスにおいて、少なくとも抵抗変化素子１０を直接覆う領域が残るように抵抗変化素子１０よりも大きな形状にストレス緩和領域層１０５のパターンを形成する。次いで、第２の層間絶縁層１９（例えば、従来のプラズマパワーで形成したプラズマＴＥＯＳ膜）を堆積し、その表面を平坦化する。このように、第２の層間絶縁層１９と同じ材料を用いることにより、ストレス緩和領域層１０５の堆積速度の向上を図ることができる。
【００９６】
次に、図２Ｆに示す工程において、上部電極層１０４に至るよう第２のコンタクト１６形成し、第２のコンタクトに接続される配線パターン１８を形成する。具体的には、まず、従来の半導体プロセスにより、第２のコンタクト開口部１６Ａにタングステンや銅などを用いて第２のコンタクト１６を形成する。また、第２の層間絶縁層１９、ストレス緩和領域層１０５および第１の層間絶縁層１４を貫通し、ソースまたはドレイン層１２と接続する第３のコンタクト１７をタングステンや銅などを用いて形成する。次いで、第２の層間絶縁層１９の上面に第２のコンタクト１６および第３のコンタクト１７にそれぞれ接続される配線パターン１８を形成する。この配線パターン１８は銅などを用いて形成される。
【００９７】
以上のようにして、不揮発性記憶素子１が製造される。
【００９８】
このように、不揮発性記憶素子１では、少なくとも第２の層間絶縁層１９と上部電極層１０４との間にストレス緩和領域層１０５が形成されるので、第２の層間絶縁層１９から上部電極層１０４へ加えられる応力ストレスを低減することができる。したがって、不揮発性記憶素子１では、第２の層間絶縁層１９から上部電極層１０４への応力ストレスによる上部電極層１０４の形状変化（突起の発生）を抑制することができるので、上部電極層１０４を実質的に平坦に形成できる。
【００９９】
それにより、抵抗変化素子１０の形状を安定させることができるので、抵抗値のばらつきを抑えた抵抗変化素子１０を有する不揮発性記憶素子１を実現することができる。さらに、この抵抗変化素子１０を用いて、例えば、１つのトランジスタと１つの抵抗変化素子（以下では、「１トランジスタ／１抵抗変化素子」と略記）で１つの不揮発性記憶部を構成した不揮発性記憶素子１を作製すれば、動作の安定化を実現することができる。
【０１００】
なお、図２Ｅの工程において、第２の層間絶縁層１９のかわりに、ストレス緩和領域層１０５を引き続き形成してもよい。その場合、抵抗変化素子１０の上部電極層１０４の上面および側面より上方をストレス緩和領域層１０５で直接覆うことになる。この構成により第２のコンタクト１６を形成する絶縁層の膜質を均一化することができるので、第２のコンタクト１６および第３のコンタクト１７の断面形状の安定化を図ることができる。
【０１０１】
次に、プラズマＴＥＯＳ膜成膜時の上部電極パワーと、成膜されたプラズマＴＥＯＳ膜の応力との関係について説明する。
【０１０２】
図３Ａは、本発明の実施の形態１に係るプラズマＴＥＯＳ膜成膜時の上部電極パワーと、成膜されたプラズマＴＥＯＳ膜の応力との関係を示す図である。図３Ｂは、本発明の実施の形態１に係るプラズマＴＥＯＳ膜成膜時の上部電極パワーと、成膜されたプラズマＴＥＯＳ膜を用いた不揮発性記憶素子の初期抵抗ばらつきとの関係を示す図である。
【０１０３】
図３Ａは、図２Ｄおよび図２Ｅに示すストレス緩和領域層１０５をプラズマＴＥＯＳ膜で形成する工程において、プラズマＴＥＯＳ膜成膜時の上部電極パワーと、成膜されたプラズマＴＥＯＳ膜の応力との関係を示している。図３Ａに示すように、本実施の形態にて使用した上部電極パワーを８５０ＷとするとプラズマＴＥＯＳ膜の応力が約２４０ＭＰａとなり、上部電極パワーを５００ＷとするとプラズマＴＥＯＳ膜の応力が約２２５ＭＰａとなる。これらプラズマＴＥＯＳ膜の応力は、一般的な成膜条件（従来条件）である上部電極パワーを１２００Ｗ形成したプラズマＴＥＯＳ膜の応力（約２８５ＭＰａ）よりも応力が低減していることがわかる。
【０１０４】
また、図３Ｂは、図３Ａに示す各条件で形成されたストレス緩和領域層１０５をそれぞれ使用した抵抗変化素子１０の初期抵抗値のばらつきを示している。ここで、σ％は、初期抵抗値の標準偏差σを初期抵抗値の平均値で割り％表示した値である。図３Ｂに示すように、上部電極パワーを１２００Ｗとした場合のプラズマＴＥＯＳ膜を用いた場合が３４０％である。それに対し、上部電極パワーを８５０Ｗとした場合のプラズマＴＥＯＳ膜を用いた場合では９６％であり、さらに上部電極パワーを５００Ｗとした場合のプラズマＴＥＯＳ膜を用いた場合では６６％となり、大きな改善が見られたのがわかる。この結果により、ストレス緩和領域層１０５を少なくとも上部電極層１０４の上面および側面に形成させることで初期抵抗値のばらつきが低減した抵抗変化素子１０を製造することができるのがわかる。そして、この抵抗変化素子１０を用いて、例えば１トランジスタ／１抵抗変化素子で１つの不揮発性記憶部を構成することで、動作が安定した不揮発性記憶素子１を作製することができる。
【０１０５】
（変形例）
なお、ストレス緩和領域層１０５は、上述したように、応力を低減させたプラズマＴＥＯＳ膜で構成されるに限られず、多孔質構造で構成されるとしてもよい。以下、これを実施の形態１の変形例として説明する。
【０１０６】
本変形例では、図２Ｄに示す工程において、第１の層間絶縁層１４の上面と、下部電極層１０２側面と、第１の抵抗変化層１０３ａの側面と、第２の抵抗変化層１０３ｂの側面と、上部電極層１０４の上面および側面とを直接覆うように、多孔質構造で構成されるストレス緩和領域層１０５を形成する。
【０１０７】
また、図２Ｅに示す工程において、多孔質構造で構成されるストレス緩和領域層１０５の上面および側面を覆うように第２の層間絶縁層１９を形成する。そして、後の工程で第２のコンタクト１６を形成する所定の位置に、第２の層間絶縁層１９およびストレス緩和領域層１０５を貫通し上部電極層１０４に至るように、第２のコンタクト開口部１６Ａを形成する。
【０１０８】
より具体的には、図２Ｄおよび図２Ｅに示す工程においては、多孔質構造で構成されるストレス緩和領域層１０５を、応力が３０ＭＰａに低減したｌｏｗ−ｋ材料であるポーラスシリカで形成する。この際、シリカ前駆体と界面活性剤とを混合した塗布液を塗布し、熱処理を行うことで１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のポーラスシリカを堆積させる。
【０１０９】
次に、図２Ｆに示す工程において、第２のコンタクト開口部１６Ａには第２のコンタクト１６を形成する。また、第２の層間絶縁層１９、ストレス緩和領域層１０５および第１の層間絶縁層１４を貫通し、ソースまたはドレイン層１２と接続する第３のコンタクト１７を形成する。次いで、第２の層間絶縁層１９の上面に第２のコンタクト１６および第３のコンタクト１７にそれぞれ接続される配線パターン１８を形成する。より具体的には、この図２Ｆに示す工程は、従来の半導体プロセスにより、第２の層間絶縁層１９およびストレス緩和領域層１０５を貫通し上部電極層１０４に至るように、第２のコンタクト１６を形成する。また、第２の層間絶縁層１９、ストレス緩和領域層１０５および第１の層間絶縁層１４を貫通してソースまたはドレイン層１２に至るように、第３のコンタクト１７を形成する。次いで、第２の層間絶縁層１９の上面に第２のコンタクト１６および第３のコンタクト１７にそれぞれ接続される配線パターン１８を形成する。
【０１１０】
このようにして、本変形例の不揮発性記憶素子１は製造される。本変形例の不揮発性記憶素子１では、少なくとも第２の層間絶縁層１９と上部電極層１０４との間に多孔質構造構成されるストレス緩和領域層１０５が形成されるので、第２の層間絶縁層１９から上部電極層１０４へ印加される応力ストレスを低減することができる。このようにして、第２の層間絶縁層１９からの応力ストレスによる上部電極層１０４の形状変化（突起の発生）を抑制できるので、上部電極層１０４を実質的に平坦に形成することができる。
【０１１１】
それにより、抵抗変化素子１０の形状を安定させることができるので、初期抵抗値のばらつきを抑えた抵抗変化素子１０を有する不揮発性記憶素子１を実現することができる。さらに、この抵抗変化素子１０を用いて、例えば１トランジスタ／１抵抗変化素子で１つの不揮発性記憶素子１を作製すれば、動作の安定化を実現することができる。
【０１１２】
以上のように、本変形例における不揮発性記憶素子１を作製する。それにより、本変形例における不揮発性記憶素子１は、特殊なプロセスを用いることなく上部電極層１０４と第２の層間絶縁層１９との間に約１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のストレス緩和領域層１０５を一律に形成することができる。このように、本変形例の不揮発性記憶素子１は、一般的な半導体の微細プロセスを用いることができるので容易に形成することができるという効果を有する。
【０１１３】
（実施の形態２）
［不揮発性記憶素子の構成］
図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の実施の形態２に係る不揮発性記憶素子の構成を示す図である。図４Ａは平面図を示しており、図４Ｂは図４ＡのＢ−Ｂ‘線の断面を矢印方向に見た断面図を示している。なお、図４Ａおよび図４Ｂは、不揮発性記憶素子２が２つで構成される場合の例を示している。
【０１１４】
図４Ｂに示す本実施の形態の不揮発性記憶素子２は、実施の形態１の不揮発性記憶素子１に対して、ストレス緩和領域層２０５の構成が異なる。具体的には、実施の形態１では、ストレス緩和領域層１０５は応力を低減させたプラズマＴＥＯＳ膜や、多孔質構造を有する絶縁層（ポーラスシリカ等）などで構成されていたのに対して、本実施の形態では、ストレス緩和領域層２０５として、空気層すなわち上部電極層１０４に接する絶縁層が存在しないエアギャップを形成する。その他の構成については、実施の形態１の不揮発性記憶素子１と同じである。なお、図４Ａおよび図４Ｂにおいて、図１Ａおよび図１Ｂと同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【０１１５】
この不揮発性記憶素子２は、第２の層間絶縁層１９と上部電極層１０４との間にストレス緩和領域層２０５としてエアギャップ（空気層）が形成されていることにより、第２の層間絶縁層１９からの応力ストレスが上部電極層１０４へは加わらない。
【０１１６】
以上のように構成される不揮発性記憶素子２は、抵抗変化素子１０において、第２の層間絶縁層１９からの応力ストレスによる上部電極層１０４の形状変化（突起の発生）を、実施の形態１の不揮発性記憶素子１（図１Ｂ）に比べて、さらに防止することができる。それにより、不揮発性記憶素子２は、実施の形態１の不揮発性記憶素子１（図１Ｂ）に比べて、さらに抵抗値ばらつきを抑えることができる。
【０１１７】
［不揮発性記憶素子の製造方法］
次に、本発明の実施の形態２に係る不揮発性記憶素子２の製造方法について説明する。
【０１１８】
図５Ａ〜図５Ｅは、本発明の実施の形態２に係る不揮発性記憶素子２の製造方法の工程を示す断面図である。なお、図２Ａ〜図２Ｆと同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【０１１９】
まず、本実施の形態の不揮発性記憶素子２の製造方法は、実施の形態１の不揮発性記憶素子１の製造方法を示す図２Ａから図２Ｃの工程までは同じであるので説明を省略する。
【０１２０】
次に、図５Ａ〜図５Ｅに示す工程において、少なくとも上部電極層１０４の上面および側面を直接覆うように、後に除去されて空気層（ストレス緩和領域層２０５）となる犠牲層２０５ａを形成する。次いで、犠牲層２０５ａを介して少なくとも上部電極層１０４の上面および側面を覆うように、第２の層間絶縁層１９を形成する。次いで、この犠牲層２０５ａを除去することにより、上部電極層１０４に対する第２の層間絶縁層１９の応力を緩和する空気層をストレス緩和領域層２０５として形成する。第２のコンタクト１６は、第２の層間絶縁層１９およびストレス緩和領域層２０５を貫通し、上部電極層１０４に至るように形成された第２のコンタクト開口部１６Ａに形成される。ここで、ストレス緩和領域層２０５は、第２のコンタクト開口部１６Ａを形成後、その第２のコンタクト開口部１６Ａからエッチングにより犠牲層２０５ａを除去することにより、形成される。
【０１２１】
より具体的には、図２Ａから図２Ｃの工程の後に、まず、図５Ａに示す工程において、第１の層間絶縁層１４上と、上部電極層１０４の上面および側面と、第２の抵抗変化層１０３ｂ、第１の抵抗変化層１０３ａおよび下部電極層１０２の側面とを直接覆うように、犠牲層２０５ａを堆積する。ここで、この犠牲層２０５ａは、第２の層間絶縁層１９よりも密度が低い多孔質構造を有する絶縁層（ポーラスシリカ等）を１０ｎｍ堆積させて形成される。なお、この犠牲層２０５ａは、ポーラスシリカに限られることはなく、第２の層間絶縁層１９に用いられる酸化物、例えばプラズマＴＥＯＳ膜よりもウェットエッチングレートまたはフッ素系の蒸気ガスによるエッチングレートが速い材料を用いるとしてもよい。
【０１２２】
次に、図５Ｂに示す工程において、通常の露光プロセスおよび現像プロセスおよび、ドライエッチングプロセスにより、犠牲層２０５ａを、少なくとも抵抗変化素子１０を直接覆う領域が残るように抵抗変化素子１０よりも大きな所定の形状パターンに形成する。
【０１２３】
次に、図５Ｃに示す工程において、犠牲層２０５ａを覆うように第２の層間絶縁層１９を堆積し、後の工程で第２のコンタクト１６を形成する所定の位置に、第２の層間絶縁層１９および犠牲層２０５ａを貫通し上部電極層１０４に至るように、第２のコンタクト開口部１６Ａを形成する。
【０１２４】
次に、図５Ｄに示す工程において、第２のコンタクト開口部１６Ａから犠牲層２０５ａをエッチングにより除去する。犠牲層２０５ａは、第２のコンタクト開口部１６Ａによって露出しているので、第２のコンタクト開口部１６Ａを利用して犠牲層２０５ａを選択的にウェットエッチング除去することができる。なお、犠牲層２０５ａを除去する方法は、ウェットエッチングに限らず、フッ素系の蒸気ガスを用いたドライエッチング処理（Ｖａｐｏｒ  ＨＦ）を行うとしてもよい。このようにして、上部電極層１０４、第１の抵抗変化層１０３ａ、第２の抵抗変化層１０３ｂおよび下部電極層１０２と、第２の層間絶縁層１９との間には、少なくとも１０ｎｍのエアギャップ（空気層）がストレス緩和領域層２０５として形成される。
【０１２５】
次に、図５Ｅに示す工程において、第２のコンタクト開口部１６Ａには第２のコンタクト１６を形成する。また、第２の層間絶縁層１９および第１の層間絶縁層１４を貫通し、ソースまたはドレイン層１２と接続する第３のコンタクト１７を形成する。次いで、第２の層間絶縁層１９の上面に第２のコンタクト１６および第３のコンタクト１７にそれぞれ接続される配線パターン１８を形成する。
【０１２６】
以上のようにして、不揮発性記憶素子２は製造される。
【０１２７】
このように、不揮発性記憶素子２では、第２の層間絶縁層１９と上部電極層１０４との間にストレス緩和領域層２０５としてのエアギャップが形成されるので、第２の層間絶縁層１９からの応力ストレスが上部電極層１０４へは加わらない。したがって、第２の層間絶縁層１９から上部電極層１０４への応力ストレスによる上部電極層１０４の形状変化（突起の発生）を防止することができるので、上部電極層１０４を実質的に平坦に形成することができる。
【０１２８】
それにより、抵抗変化素子１０の形状を安定させることができるので、実施の形態１の不揮発性記憶素子１（図１Ｂ）に比べて、抵抗値のばらつきがさらに抑えた抵抗変化素子１０を有する不揮発性記憶素子２を実現することができる。さらに、この抵抗変化素子１０を用いて、例えば１トランジスタ／１抵抗変化素子で１つの不揮発性記憶部を構成した不揮発性記憶素子２を作製すれば、動作の安定化を実現することができる。
【０１２９】
以上のようにして、不揮発性記憶素子２は製造される。このように、上部電極層１０４と第２の層間絶縁層１９との間にストレス緩和領域層２０５として約１０ｎｍのエアギャップが形成されるので、第２の層間絶縁層１９からの応力ストレスが上部電極層１０４へ加わらない。したがって、不揮発性記憶素子２では、上部電極層１０４の形状変化（突起の発生）を防止し、上部電極層１０４を実質的に平坦に形成することができる。これにより、上部電極層１０４の形状を安定させることができるので、抵抗値のばらつきを抑えた抵抗変化素子１０を有する不揮発性記憶素子２を実現することができる。
【０１３０】
（実施の形態３）
［不揮発性記憶素子の構成］
図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の実施の形態３に係る不揮発性記憶素子の構成を示す図である。図６Ａは平面図を示しており、図６Ｂは図６ＡのＣ１−Ｃ１‘線の断面を矢印方向に見た断面図を示している。なお、図６Ａおよび図６Ｂは不揮発性記憶素子３が２つで構成される場合の例を示している。
【０１３１】
図６Ｂに示す本実施の形態３の不揮発性記憶素子３は、実施の形態１の不揮発性記憶素子１に対して、ストレス緩和領域層３０５および第２の層間絶縁層１９３の構成が異なる。具体的には、実施の形態１では、ストレス緩和領域層１０５は、上部電極層１０４と第２の層間絶縁層１９との間のみに形成されていたのに対して、本実施の形態では、ストレス緩和領域層３０５が、上部電極層１０４と第２の層間絶縁層１９３との間に形成されているだけでなく、さらに第２のコンタクト１６と第２の層間絶縁層１９３との間にも形成されている。つまり、本実施の形態においては、ストレス緩和領域層３０５は、少なくとも上部電極層１０４の上面および側面、並びに、第２のコンタクト１６の側面を直接覆うように形成されている。また、このストレス緩和領域層３０５は、応力を低減させたプラズマＴＥＯＳ膜や、多孔質構造を有する絶縁層（ポーラスシリカ等）などで構成される。その他の構成については、実施の形態１の不揮発性記憶素子１と同じである。なお、図６Ａおよび図６Ｂにおいて、図１Ａおよび図１Ｂと同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【０１３２】
この不揮発性記憶素子３は、第２の層間絶縁層１９３より応力の小さいストレス緩和領域層３０５が図６Ｂに示すように形成されていることにより、製造中の熱処理等により発生する第２の層間絶縁層１９から上部電極層１０４へ加えられる応力ストレスを低減させることができる。さらに、ストレス緩和領域層３０５は、上部電極層１０４と接続する第２のコンタクト１６と第２の層間絶縁層１９３との間にも、形成されているので、製造中の熱処理等により発生する第２の層間絶縁層１９から第２のコンタクト１６へ加えられる応力ストレスも低減することができる。つまり、ストレス緩和領域層３０５は、第２のコンタクト１６を通して加えられる上部電極層１０４への応力ストレスも低減することができる。
【０１３３】
この構成により、抵抗変化素子１０において、第２の層間絶縁層１９からの応力ストレスによる上部電極層１０４の形状変化（突起の発生）を、実施の形態１の不揮発性記憶素子１（図１Ｂ）に比べてさらに抑制することができる。それにより、不揮発性記憶素子３は、実施の形態１の不揮発性記憶素子１（図１Ｂ）に比べて、さらに抵抗値ばらつきを抑えることができる。
【０１３４】
［不揮発性記憶素子の製造方法］
次に、本発明の実施の形態３に係る不揮発性記憶素子３の製造方法について説明する。
【０１３５】
図７Ａ〜図７Ｅは、本発明の実施の形態３に係る不揮発性記憶素子３の製造方法の工程を示す断面図である。なお、図２Ａ〜図２Ｆと同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【０１３６】
まず、本実施の形態の不揮発性記憶素子３の製造方法は、実施の形態１の不揮発性記憶素子１の製造方法を示す図２Ａから図２Ｃの工程までは同じであるので説明を省略する。
【０１３７】
次に、図７Ａ〜図７Ｅに示す工程において、下部電極層１０２、第１の抵抗変化層１０３ａ、第２の抵抗変化層１０３ｂおよび上部電極層１０４を覆うように第２の層間絶縁層１９と同じ材料の絶縁層を形成する。次いで、第２の層間絶縁層１９と同じ材料の絶縁層をエッチング除去し、少なくとも上部電極層１０４を露出させることで、第２の層間絶縁層１９を形成する。一方、ストレス緩和領域層３０５は、上記の後に、少なくとも上部電極層１０４の上面および側面、並びに、第２のコンタクト１６の側面を直接覆うように、第２の層間絶縁層１９に用いられる絶縁層より応力が小さく上部電極層１０４に対する第２の層間絶縁層１９の応力を緩和する絶縁層で形成される。また、第２のコンタクト１６は、ストレス緩和領域層３０５を貫通し、上部電極層１０４に至るよう形成される。
【０１３８】
より具体的には、図２Ａから図２Ｃの工程の後に、まず、図７Ａに示す工程において、第１の層間絶縁層１４上と、上部電極層１０４、第２の抵抗変化層１０３ｂ、第１の抵抗変化層１０３ａおよび下部電極層１０２を被覆するように第２の層間絶縁層１９３を堆積させる。
【０１３９】
次に、図７Ｂに示す工程において、後に形成されるストレス緩和領域層３０５の所定の形状にマスクパターンを形成し、エッチングプロセスにより少なくとも隣り合う複数の抵抗変化素子１０の上部電極層１０４が露出するまで溝状の開口部３０５ａを形成する。このエッチングプロセスには薬液を用いたウェットエッチングプロセス、フッ素系のガスを用いたドライエッチングを用いてもよい。
【０１４０】
次に、図７Ｃに示す工程において、溝状の開口部３０５ａに、ストレス緩和領域層３０５となる多孔質構造を有する絶縁層３０５ｂを形成する。ここでは、この多孔質構造を有する絶縁層３０５ｂには第２の層間絶縁層１９３よりも密度が低下し、応力が小さいポーラスシリカを用いる。
【０１４１】
次に、図７Ｄに示す工程において、絶縁層３０５ｂを貫通し上部電極層１０４と接続する第２のコンタクト１６を形成する。また、絶縁層３０５ｂ、第２の層間絶縁層１９３および第１の層間絶縁層１４を貫通し、ソースまたはドレイン層１２と接続する第３のコンタクト１７を形成する。このようにして、ストレス緩和領域層３０５を形成する。
【０１４２】
次に、図７Ｅに示す工程において、ストレス緩和領域層３０５の上面に、第２のコンタクト１６および第３のコンタクト１７にそれぞれ接続される配線パターン１８を形成する。
【０１４３】
以上のようにして、不揮発性記憶素子３は製造される。
【０１４４】
このように、不揮発性記憶素子３では、第２の層間絶縁層１９３と上部電極層１０４の間に、第２の層間絶縁層１９３より応力の小さい多孔質構造を有するストレス緩和領域層３０５が形成される。そのため、製造中の熱処理等により発生する第２の層間絶縁層１９３から上部電極層１０４への応力ストレスはストレス緩和領域層３０５で低減することができる。さらに、ストレス緩和領域層３０５は、上部電極層１０４と接続する第２のコンタクト１６と第２の層間絶縁層１９３との間にも形成されているので、製造中の熱処理等により発生する第２の層間絶縁層１９３から第２のコンタクト１６へ加えられる応力ストレスはストレス緩和領域層３０５で低減される。つまり、ストレス緩和領域層３０５は、第２の層間絶縁層１９から第２のコンタクト１６への応力ストレスが低減され、第２のコンタクト１６を通して第２の層間絶縁層１９３から加えられる上部電極層１０４への応力ストレスも低減することができる。
【０１４５】
したがって、不揮発性記憶素子３では、第２の層間絶縁層１９３からの応力ストレスによる上部電極層１０４の形状変化（突起の発生）を、実施の形態１の構成（図１）に比べて、さらに抑制することができる。それにより、不揮発性記憶素子３は、実施の形態１の不揮発性記憶素子１（図１Ｂ）に比べて、さらに抵抗値ばらつきを抑えることができる。
【０１４６】
さらに、上述したように、抵抗変化素子１０より大きな領域の第２の層間絶縁層１９３をエッチング除去して形成させることが可能であるため、プロセスルールにおける最小パターンを用いることなく多孔質構造で構成されるストレス緩和領域層３０５を形成することができる。このため、微細なプロセスを必要としないため微細化に適している。この抵抗変化素子１０を用いて、例えば、１トランジスタ／１抵抗変化素子で１つの不揮発性記憶部を構成することで、動作が安定した不揮発性記憶素子３を作製することができる。
【０１４７】
（変形例）
なお、ストレス緩和領域層３０５は、上述したように、上部電極層１０４の上面および側面、並びに、第２のコンタクト１６を覆うように、上部電極層１０４の側面よりも上の全領域に形成されるとしたがそれに限られない。第２のコンタクト１６を含む上部電極層１０４の上部近傍領域を直接覆うように形成されるとしてもよい。以下、これを実施の形態３の変形例として説明する。
【０１４８】
図８Ａおよび図８Ｂは、本実施の形態の変形例に係る不揮発性記憶素子の構成を示す図である。図８Ａは平面図を示しており、図８Ｂは図８ＡのＣ２−Ｃ２’線の断面を矢印方向に見た断面図を示している。なお、図８Ａおよび図８Ｂは、不揮発性記憶素子４が２つで構成される場合の例を示している。
【０１４９】
図８Ｂに示すように、本変形例の不揮発性記憶素子４は、上述した実施の形態３の不揮発性記憶素子３に対して、ストレス緩和領域層４０５が、抵抗変化素子１０の各々の上部近傍の領域に形成されていることである。このストレス緩和領域層４０５は、上述したストレス緩和領域層３０５と同様に、応力を低減させたプラズマＴＥＯＳ膜や、多孔質構造を有する絶縁層（ポーラスシリカ等）などで構成される。その他の構成は、不揮発性記憶素子３と同じである。なお、図８Ａおよび図８Ｂにおいて、図６Ａおよび図６Ｂと同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【０１５０】
不揮発性記憶素子４は、このように構成されることで、図８Ｂと図６Ｂとの比較からも明らかなように、第２の層間絶縁層１９４より密度が低く機械強度が低い多孔質構造で構成されるストレス緩和領域層４０５を最小限の領域で形成することができる。これにより、不揮発性記憶素子４は、実施の形態３の不揮発性記憶素子３に比べて機械強度を向上させることができるという効果を奏する。
【０１５１】
［不揮発性記憶素子の製造方法］
次に、以上のように構成された本変形例の不揮発性記憶素子４の製造方法について説明する。
【０１５２】
図９Ａ〜図９Ｅは、本発明の実施の形態３の変形例に係る不揮発性記憶素子４の製造方法の工程を示す断面図である。なお、図７Ａ〜図７Ｆと同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【０１５３】
本変形例に係る不揮発性記憶素子４の製造方法は、上述した実施の形態３に係る不揮発性記憶素子３の製造方法（図７Ｂ）に対して、図９Ｂに示す工程において、後にストレス緩和領域層４０５が形成される開口部４０５ａが個々の抵抗変化素子１０に対して形成されている点が異なる。
【０１５４】
また、図９Ｄに示す工程において、ストレス緩和領域層４０５を貫通し上部電極層１０４と接続する第２のコンタクト１６を形成する。また、第２の層間絶縁層１９４および第１の層間絶縁層１４を貫通し、ソースまたはドレイン層１２と接続する第３のコンタクト１７を形成する。これら以外は、実施の形態３に係る不揮発性記憶素子４で説明した内容と同じであり、説明を省略する。
【０１５５】
以上のようにして、不揮発性記憶素子４が製造される。
【０１５６】
このように製造された不揮発性記憶素子４は、実施の形態３の不揮発性記憶素子３と同様の効果を有する。さらに、この不揮発性記憶素子４では、ストレス緩和領域層４０５を、第２の層間絶縁層１９４より密度が低く、機械強度が低い多孔質構造の絶縁層を用いて不揮発性記憶素子４における最小限の領域に形成することができる。これにより、不揮発性記憶素子４は、実施の形態３の不揮発性記憶素子３と比べて、機械強度を向上させることができる。また、この抵抗変化素子１０を用いても、例えば、１トランジスタ／１抵抗変化素子で１つの不揮発性記憶部を構成することで、動作が安定した不揮発性記憶素子４を作製することができる。
【０１５７】
（実施の形態４）
［不揮発性記憶素子］
図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明の実施の形態４に係る不揮発性記憶素子の構成を示す図である。図１０Ａは平面図を示しており、図１０Ｂは図１０ＡのＤ−Ｄ‘線の断面を矢印方向に見た要部の断面図を示している。なお、１０Ａおよび図１０Ｂは不揮発性記憶素子５が２つで構成される場合の例を示している。
【０１５８】
図１０Ｂに示す本実施の形態の不揮発性記憶素子５は、実施の形態２の不揮発性記憶素子２に対して、ストレス緩和領域層４０５および第２の層間絶縁層１９５の構成が異なる。
【０１５９】
具体的には、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、実施の形態２では、ストレス緩和領域層２０５として、上部電極層１０４と第２の層間絶縁層１９との間に空気層（エアギャップ）が形成されていたのに対して、本実施の形態では、ストレス緩和領域層５０５としての空気層が、上部電極層１０４と第２の層間絶縁層１９５との間に形成されているだけでなく、さらに第２のコンタクト１６と第２の層間絶縁層１９５との間にも形成される。その他の構成は、実施の形態２の不揮発性記憶素子２と同じである。なお、図１０Ａおよび図１０Ｂにおいて、図４Ａおよび図４Ｂと同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【０１６０】
この不揮発性記憶素子５は、第２の層間絶縁層１９５と上部電極層１０４との間にストレス緩和領域層５０５として空気層（エアギャップ）が形成されていることにより、第２の層間絶縁層１９からの応力ストレスは上部電極層１０４へは加わらない。さらに、この不揮発性記憶素子５は、上部電極層１０４と接続する第２のコンタクト１６と第２の層間絶縁層１９５との間にも空気層（エアギャップ）が形成されている。つまり、不揮発性記憶素子５では、ストレス緩和領域層５０５を備えることにより、第２の層間絶縁層１９５から第２のコンタクト１６へも応力ストレスが加わらないので、第２のコンタクト１６を通して第２の層間絶縁層１９５から加えられる上部電極層１０４への応力ストレスを防止することができる。このようにして、不揮発性記憶素子５では、第２の層間絶縁層１９から加えられる上部電極層１０４への応力ストレスを完全に防止することができる。
【０１６１】
この構成により、抵抗変化素子１０においては、第２の層間絶縁層１９５からの応力ストレスによる上部電極層１０４の形状変化（突起の発生）を、実施の形態２の不揮発性記憶素子２（図４Ｂ）に比べて、さらに抑制することができる。それにより、不揮発性記憶素子５は、実施の形態２の不揮発性記憶素子２（図４Ｂ）に比べて、さらに抵抗値ばらつきを抑えることができる。
【０１６２】
［不揮発性記憶素子の製造方法］
次に、本発明の実施の形態４に係る不揮発性記憶素子５の製造方法について説明する。
【０１６３】
図１１Ａ〜図１１Ｄは本発明の実施の形態４に係る不揮発性記憶素子５の製造方法の工程を示す断面図である。なお、図４Ａ〜図４Ｆと同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【０１６４】
まず、本実施の形態の不揮発性記憶素子５の製造方法は、実施の形態１の不揮発性記憶素子１の製造方法を示す図２Ａから図２Ｃの工程までは同じであるので説明を省略する。
【０１６５】
次に、図１１Ａ〜図１１Ｄに示す工程において、上部電極層１０４、第１の抵抗変化層１０３ａ、第２の抵抗変化層１０３ｂおよび下部電極層１０２を覆うように第２の層間絶縁層１９５と同じ材料の絶縁層を形成する。次いで、第２の層間絶縁層１９５と同じ材料の絶縁層をエッチング除去し、少なくとも上部電極層１０４を露出させることで、第２の層間絶縁層１９５を形成するとともに、ストレス緩和領域層５０５として第２の層間絶縁層１９５に対する第２の層間絶縁層１９５の応力を緩和する空気層を形成する。第２のコンタクトは、ストレス緩和領域層５０５と第２の層間絶縁層１９５とを貫通し、上部電極層１０４に至るように形成される。
【０１６６】
より具体的には、図１１Ａに示す工程において、第１の層間絶縁層１４上と、上部電極層１０４、第２の抵抗変化層１０３ｂ、第１の抵抗変化層１０３ａおよび下部電極層１０２を被覆するように第２の層間絶縁層１９５を堆積させる。
【０１６７】
次に、図１１Ｂに示す工程において、後の工程で第２のコンタクト１６を形成する所定の位置に第２の層間絶縁層１９５を貫通して上部電極層１０４に至るように第２のコンタクト開口部１６Ａを形成する。
【０１６８】
次に、図１１Ｃに示す工程において、第２のコンタクト開口部１６Ａに第２のコンタクト１６を形成する。また、第２の層間絶縁層１９５および第１の層間絶縁層１４を貫通し、ソースまたはドレイン層１２と接続する第３のコンタクト１７を形成する。次いで、第２の層間絶縁層１９５の上面に第２のコンタクト１６および第３のコンタクト１７にそれぞれ接続される配線パターン１８を形成する。
【０１６９】
次に、図１１Ｄに示す工程において、所定の形状にマスクパターンを形成し、エッチングプロセスによりストレス緩和領域層５０５となる空気層（エアギャップ）を少なくとも上部電極層１０４および第２のコンタクト１６が露出するまで形成する。ここで、このエッチングプロセスには薬液を用いたウェットエッチングプロセス、フッ素系のガスを用いたドライエッチングまたはフッ素系の蒸気ガスを用いた処理（Ｖａｐｏｒ  ＨＦ）を用いてもよい。
【０１７０】
以上のようにして、不揮発性記憶素子５は製造される。
【０１７１】
このように、不揮発性記憶素子５では、第２の層間絶縁層１９５と上部電極層１０４との間にストレス緩和領域層５０５として約５０ｎｍの空気層（エアギャップ）が形成されるので、製造中の熱処理等により発生する第２の層間絶縁層１９５からの応力ストレスは、上部電極層１０４へ加わらない。さらに、この不揮発性記憶素子５では、上部電極層１０４と接続する第２のコンタクト１６と第２の層間絶縁層１９５との間にもストレス緩和領域層５０５として空気層（エアギャップ）が形成されているので、製造中の熱処理等により発生する第２の層間絶縁層１９５から第２のコンタクト１６への応力ストレスは加わらない。そのため、第２の層間絶縁層１９５から第２のコンタクト１６を通して加わる上部電極層１０４への応力ストレスもない。
【０１７２】
したがって、不揮発性記憶素子５では、第２の層間絶縁層１９からの応力ストレスにより発生する上部電極層１０４の形状変化（突起の発生）を実施の形態２の不揮発性記憶素子２（図４Ｂ）に比べて、さらに防止できる。
【０１７３】
それにより、抵抗変化素子１０の形状を安定させることができるので、実施の形態２の不揮発性記憶素子２（図４Ｂ）に比べて、さらに抵抗値ばらつきを抑えた抵抗変化素子１０を有する不揮発性記憶素子２を実現することができる。さらに、この抵抗変化素子１０を用いて、例えば、１トランジスタ／１抵抗変化素子で１つの不揮発性記憶部を構成した不揮発性記憶素子５を作製すれば、動作が安定した不揮発性記憶素子を作製することができる。
【０１７４】
以上、本発明によれば、抵抗値のばらつきを抑制することが可能な抵抗変化型の不揮発性記憶素子を実現できる。具体的には、熱処理によって層間絶縁層から上部電極層へ印加される応力ストレスが少なくとも上部電極層の上面および側面を直接覆っているストレス緩和領域層により緩和されるので、上部電極層へ加えられる層間絶縁層からの応力ストレスを低減させることができる。そのため、上部電極層のマイグレーションによる上部電極層の形状変化（突起の発生）を抑制することができ、抵抗値の初期動作、動作特性にばらつきのない高品質の不揮発性記憶素子を実現することができる。
【０１７５】
以上、本発明の不揮発性記憶素子およびその製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１７６】
本発明の不揮発性記憶素子は、デジタル家電、メモリカード、携帯型電話機、およびパーソナルコンピュータなどの種々の電子機器の用途において有用である。本発明の不揮発性記憶素子の製造方法は、デジタル家電、メモリカード、携帯型電話機、およびパーソナルコンピュータなどの種々の電子機器に用いることが可能な不揮発性記憶素子の製造方法として有用である。
【符号の説明】
【０１７７】
１、２、３、４、５    不揮発性記憶素子
１０    抵抗変化素子
１１    シリコン基板
１２    ソースまたはドレイン層
１３    ゲート層
１４    第１の層間絶縁層
１５    第１のコンタクト
１６    第２のコンタクト
１６Ａ    第２のコンタクト開口部
１７    第３のコンタクト
１８    配線パターン
１９、１９３、１９４、１９５    第２の層間絶縁層
１０２    下部電極層
１０３ａ    第１の抵抗変化層
１０３ｂ    第２の抵抗変化層
１０４    上部電極層
１０５、２０５、３０５、４０５、５０５    ストレス緩和領域層
１０５ａ、３０５ａ、４０５ａ    開口部
８０１    抵抗変化素子
８０２    上部電極
８０３    抵抗変化層
８０４    下部電極
８１４、８１８    配線
８１５、８１６    コンタクト
８１９    層間絶縁層
９０１    突起
【図１Ａ】
2011111361.tif 000003
【図１Ｂ】
2011111361.tif 000004
【図２Ａ】
2011111361.tif 000005
【図２Ｂ】
2011111361.tif 000006
【図２Ｃ】
2011111361.tif 000007
【図２Ｄ】
2011111361.tif 000008
【図２Ｅ】
2011111361.tif 000009
【図２Ｆ】
2011111361.tif 000010
【図３Ａ】
2011111361.tif 000011
【図３Ｂ】
2011111361.tif 000012
【図４Ａ】
2011111361.tif 000013
【図４Ｂ】
2011111361.tif 000014
【図５Ａ】
2011111361.tif 000015
【図５Ｂ】
2011111361.tif 000016
【図５Ｃ】
2011111361.tif 000017
【図５Ｄ】
2011111361.tif 000018
【図５Ｅ】
2011111361.tif 000019
【図６Ａ】
2011111361.tif 000020
【図６Ｂ】
2011111361.tif 000021
【図７Ａ】
2011111361.tif 000022
【図７Ｂ】
2011111361.tif 000023
【図７Ｃ】
2011111361.tif 000024
【図７Ｄ】
2011111361.tif 000025
【図７Ｅ】
2011111361.tif 000026
【図８Ａ】
2011111361.tif 000027
【図８Ｂ】
2011111361.tif 000028
【図９Ａ】
2011111361.tif 000029
【図９Ｂ】
2011111361.tif 000030
【図９Ｃ】
2011111361.tif 000031
【図９Ｄ】
2011111361.tif 000032
【図９Ｅ】
2011111361.tif 000033
【図１０Ａ】
2011111361.tif 000034
【図１０Ｂ】
2011111361.tif 000035
【図１１Ａ】
2011111361.tif 000036
【図１１Ｂ】
2011111361.tif 000037
【図１１Ｃ】
2011111361.tif 000038
【図１１Ｄ】
2011111361.tif 000039
【図１２Ａ】
2011111361.tif 000040
【図１２Ｂ】
2011111361.tif 000041
【図１３】
2011111361.tif 000042
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月18日(2011.8.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された下部電極層と、
前記下部電極層上に形成された金属酸化物で構成される第１の抵抗変化層と、
前記第１の抵抗変化層上に形成され、かつ前記第１の抵抗変化層より酸素不足度が小さい金属酸化物で構成される第２の抵抗変化層と、
前記第２の抵抗変化層上に形成された上部電極層と、
少なくとも前記下部電極層、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層の側面を覆うように形成された層間絶縁層と、
少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように設けられ、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さく、前記上部電極層に対する応力を緩和するストレス緩和領域層と、
上部電極層に至るように形成されたコンタクトと、
前記コンタクトに接続される配線パターンと、を備え、
前記ストレス緩和領域層は、多孔質材料を有する絶縁層である
不揮発性記憶素子。
【請求項２】
前記層間絶縁層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を、前記ストレス緩和領域層を介して覆うように形成されており、
前記コンタクトは、前記層間絶縁層および前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るよう形成されており、
前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように前記上部電極層と前記層間絶縁層との間に設けられ、前記上部電極層に対する前記層間絶縁層の応力を緩和する
請求項１に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項３】
前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面、並びに、前記コンタクトの側面を直接覆うように設けられている
請求項１に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項４】
前記上部電極層は、白金族元素の単体または合金である
請求項１から３のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項５】
前記白金族元素は、白金またはパラジウムである
請求項４に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項６】
前記金属酸化物は、タンタル酸化物ＴａＯｘ（０＜ｘ＜２．５）で構成される
請求項１から５のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項７】
前記金属酸化物は、タンタル酸化物からなり、
前記第１の抵抗変化層をＴａＯｘ、前記第２の抵抗変化層をＴａＯｙと表したとき、０．８≦ｘ≦１．９、かつ、２．１≦ｙ＜２．５である
請求項１から５のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項８】
基板と、
前記基板上に形成された下部電極層と、
前記下部電極層上に形成された金属酸化物で構成される第１の抵抗変化層と、
前記第１の抵抗変化層上に形成され、かつ前記第１の抵抗変化層より酸素不足度が小さい金属酸化物で構成される第２の抵抗変化層と、
前記第２の抵抗変化層上に形成された上部電極層と、
少なくとも前記下部電極層、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層の側面を覆うように形成された層間絶縁層と、
少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように設けられ、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さく、前記上部電極層に対する応力を緩和するストレス緩和領域層と、
上部電極層に至るように形成されたコンタクトと、
前記コンタクトに接続される配線パターンと、を備え、
前記ストレス緩和領域層は、空気層である
不揮発性記憶素子。
【請求項９】
前記層間絶縁層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を、前記ストレス緩和領域層を介して覆うように形成されており、
前記コンタクトは、前記層間絶縁層および前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るよう形成されており、
前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように前記上部電極層と前記層間絶縁層との間に設けられ、前記上部電極層に対する前記層間絶縁層の応力を緩和する
請求項８に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項１０】
前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面、並びに、前記コンタクトの側面を直接覆うように設けられている
請求項８に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項１１】
前記上部電極層は、白金族元素の単体または合金である
請求項８から１０のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項１２】
前記白金族元素は、白金またはパラジウムである
請求項１１に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項１３】
前記金属酸化物は、タンタル酸化物ＴａＯｘ（０＜ｘ＜２．５）で構成される
請求項８から１２のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項１４】
前記金属酸化物は、タンタル酸化物からなり、
前記第１の抵抗変化層をＴａＯｘ、前記第２の抵抗変化層をＴａＯｙと表したとき、０．８≦ｘ≦１．９、かつ、２．１≦ｙ＜２．５である
請求項８から１２のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項１５】
前記基板上に下部電極層を形成する第１工程と、
前記下部電極層上に金属酸化物で構成される第１の抵抗変化層を形成する第２工程と、
前記第１の抵抗変化層より酸素不足度が小さい金属酸化物で構成される第２の抵抗変化層を前記第１の抵抗変化層上に形成する第３工程と、
前記第２の抵抗変化層上に上部電極層を形成する第４工程と、
少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように、前記上部電極層に対する応力を緩和するストレス緩和領域層を設ける第５工程と、
少なくとも前記下部電極層、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層の側面を覆うように層間絶縁層を形成する第６工程と、
上部電極層に至るようコンタクト形成する第７工程と、
前記コンタクトに接続される配線パターンを形成する第８工程と、を含み、
前記第５工程において、前記ストレス緩和領域層は、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さい絶縁層であって多孔質材料を有する絶縁層で設けられる
不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第５工程において、
前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように、前記多孔質材料を有する絶縁層で設けられ、
前記第６工程において、
前記層間絶縁層は、前記ストレス緩和領域層を介して、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を覆うように形成され、
前記第７工程において、
前記コンタクトは、前記層間絶縁層および前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るように形成される
請求項１５に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項１７】
前記第６工程では、
前記上部電極層、前記第１の抵抗変化層、前記第２の抵抗変化層および前記下部電極層を覆うように前記層間絶縁層と同じ材料の絶縁層を形成する工程と、
前記層間絶縁層と同じ材料の絶縁層をエッチング除去し、少なくとも前記上部電極層を露出させることで、前記層間絶縁層を形成する工程とを含み、
前記第５工程において、
前記ストレス緩和領域層は、前記第６工程の後に、少なくとも前記上部電極層の上面および側面、並びに、前記コンタクトの側面を直接覆うように、前記多孔質材料を有する絶縁層で形成され、
前記第７工程において、前記コンタクトは、前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るよう形成される
請求項１５に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項１８】
前記第４工程において、前記上部電極層は、白金族元素の単体または合金で形成される
請求項１５から１７のいずれかに１項に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項１９】
前記白金族元素は、白金またはパラジウムである
請求項１８に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項２０】
前記第２工程および前記第３工程において、
前記金属酸化物は、タンタル酸化物からなり、
前記第１の抵抗変化層をＴａＯｘ、前記第２の抵抗変化層をＴａＯｙと表したとき、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層は、０．８≦ｘ≦１．９、かつ、２．１≦ｙ＜２．５を満たすように形成される
請求項１５から１９のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項２１】
前記基板上に下部電極層を形成する第１工程と、
前記下部電極層上に金属酸化物で構成される第１の抵抗変化層を形成する第２工程と、
前記第１の抵抗変化層より酸素不足度が小さい金属酸化物で構成される第２の抵抗変化層を前記第１の抵抗変化層上に形成する第３工程と、
前記第２の抵抗変化層上に上部電極層を形成する第４工程と、
少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように、前記上部電極層に対する応力を緩和するストレス緩和領域層を設ける第５工程と、
少なくとも前記下部電極層、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層の側面を覆うように層間絶縁層を形成する第６工程と、
上部電極層に至るようコンタクト形成する第７工程と、
前記コンタクトに接続される配線パターンを形成する第８工程と、を含み、
前記第５工程において、
前記ストレス緩和領域層は、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さい空気層で設けられる
不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項２２】
前記第５工程において、
前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように、前記空気層で設けられ、
前記第６工程において、
前記層間絶縁層は、前記ストレス緩和領域層を介して、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を覆うように形成され、
前記第７工程において、
前記コンタクトは、前記層間絶縁層および前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るように形成される
請求項２１に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項２３】
前記第５工程および前記第６工程は、
少なくとも前記上部電極層の上面および側面を覆うように、後に除去される犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
少なくとも前記上部電極層の上面および側面を、前記犠牲層を介して覆うように、前記層間絶縁層を形成する工程と、
前記犠牲層を除去することにより、前記上部電極層に対する前記層間絶縁層の応力を緩和する前記空気層を形成する空気層形成工程とを含み、
前記第７工程は、前記層間絶縁層および前記空気層を貫通し、前記上部電極層に至るようにコンタクト開口部を形成する開口部形成工程と、前記コンタクト開口部に前記コンタクトを形成する工程とを含み、
前記空気層形成工程において、
前記空気層は、前記開口部形成工程後、前記コンタクト開口部からエッチングにより前記犠牲層を除去することにより、形成される
請求項２１に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項２４】
前記第５工程および前記第６工程では、
前記上部電極層、前記第１の抵抗変化層、前記第２の抵抗変化層および前記下部電極層を覆うように前記層間絶縁層と同じ材料の絶縁層を形成する工程と、
前記層間絶縁層と同じ材料の絶縁層をエッチング除去し、少なくとも前記上部電極層を露出させることで、前記層間絶縁層を形成するとともに、前記上部電極層に対する前記層間絶縁層の応力を緩和する前記空気層を形成する工程とを含み、
前記第７工程においては、
前記コンタクトは、前記層間絶縁層を貫通し、前記上部電極層に至るように形成される
請求項２１に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項２５】
前記第４工程において、前記上部電極層は、白金族元素の単体または合金で形成される
請求項２１から２４のいずれかに１項に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項２６】
前記白金族元素は、白金またはパラジウムである
請求項２５に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項２７】
前記第２工程および前記第３工程において、
前記金属酸化物は、タンタル酸化物からなり、
前記第１の抵抗変化層をＴａＯｘ、前記第２の抵抗変化層をＴａＯｙと表したとき、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層は、０．８≦ｘ≦１．９、かつ、２．１≦ｙ＜２．５を満たすように形成される
請求項２１から２４のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【手続補正書】
【提出日】平成23年12月14日(2011.12.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された下部電極層と、
前記下部電極層上に形成された金属酸化物で構成される第１の抵抗変化層と、
前記第１の抵抗変化層上に形成され、かつ前記第１の抵抗変化層より酸素不足度が小さい金属酸化物で構成される第２の抵抗変化層と、
前記第２の抵抗変化層上に形成された上部電極層と、
少なくとも前記下部電極層、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層の側面を覆うように形成された層間絶縁層と、
少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように設けられ、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さく、前記上部電極層に対する応力を緩和するストレス緩和領域層と、
上部電極層に至るように形成されたコンタクトと、
前記コンタクトに接続される配線パターンと、を備え、
前記ストレス緩和領域層は、多孔質構造を有する絶縁層である
不揮発性記憶素子。
【請求項２】
前記層間絶縁層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を、前記ストレス緩和領域層を介して覆うように形成されており、
前記コンタクトは、前記層間絶縁層および前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るよう形成されており、
前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように前記上部電極層と前記層間絶縁層との間に設けられ、前記上部電極層に対する前記層間絶縁層の応力を緩和する
請求項１に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項３】
前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面、並びに、前記コンタクトの側面を直接覆うように設けられている
請求項１に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項４】
前記上部電極層は、白金族元素の単体または合金である
請求項１から３のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項５】
前記白金族元素は、白金またはパラジウムである
請求項４に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項６】
前記金属酸化物は、タンタル酸化物ＴａＯｘ（０＜ｘ＜２．５）で構成される
請求項１から５のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項７】
前記金属酸化物は、タンタル酸化物からなり、
前記第１の抵抗変化層をＴａＯｘ、前記第２の抵抗変化層をＴａＯｙと表したとき、０．８≦ｘ≦１．９、かつ、２．１≦ｙ＜２．５である
請求項１から５のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項８】
基板と、
前記基板上に形成された下部電極層と、
前記下部電極層上に形成された金属酸化物で構成される第１の抵抗変化層と、
前記第１の抵抗変化層上に形成され、かつ前記第１の抵抗変化層より酸素不足度が小さい金属酸化物で構成される第２の抵抗変化層と、
前記第２の抵抗変化層上に形成された上部電極層と、
少なくとも前記下部電極層、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層の側面を覆うように形成された層間絶縁層と、
少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように設けられ、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さく、前記上部電極層に対する応力を緩和するストレス緩和領域層と、
上部電極層に至るように形成されたコンタクトと、
前記コンタクトに接続される配線パターンと、を備え、
前記ストレス緩和領域層は、空気層である
不揮発性記憶素子。
【請求項９】
前記層間絶縁層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を、前記ストレス緩和領域層を介して覆うように形成されており、
前記コンタクトは、前記層間絶縁層および前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るよう形成されており、
前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように前記上部電極層と前記層間絶縁層との間に設けられ、前記上部電極層に対する前記層間絶縁層の応力を緩和する
請求項８に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項１０】
前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面、並びに、前記コンタクトの側面を直接覆うように設けられている
請求項８に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項１１】
前記上部電極層は、白金族元素の単体または合金である
請求項８から１０のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項１２】
前記白金族元素は、白金またはパラジウムである
請求項１１に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項１３】
前記金属酸化物は、タンタル酸化物ＴａＯｘ（０＜ｘ＜２．５）で構成される
請求項８から１２のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項１４】
前記金属酸化物は、タンタル酸化物からなり、
前記第１の抵抗変化層をＴａＯｘ、前記第２の抵抗変化層をＴａＯｙと表したとき、０．８≦ｘ≦１．９、かつ、２．１≦ｙ＜２．５である
請求項８から１２のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項１５】
前記基板上に下部電極層を形成する第１工程と、
前記下部電極層上に金属酸化物で構成される第１の抵抗変化層を形成する第２工程と、
前記第１の抵抗変化層より酸素不足度が小さい金属酸化物で構成される第２の抵抗変化層を前記第１の抵抗変化層上に形成する第３工程と、
前記第２の抵抗変化層上に上部電極層を形成する第４工程と、
少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように、前記上部電極層に対する応力を緩和するストレス緩和領域層を設ける第５工程と、
少なくとも前記下部電極層、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層の側面を覆うように層間絶縁層を形成する第６工程と、
上部電極層に至るようコンタクト形成する第７工程と、
前記コンタクトに接続される配線パターンを形成する第８工程と、を含み、
前記第５工程において、前記ストレス緩和領域層は、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さい絶縁層であって多孔質構造を有する絶縁層で設けられる
不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第５工程において、
前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように、前記多孔質構造を有する絶縁層で設けられ、
前記第６工程において、
前記層間絶縁層は、前記ストレス緩和領域層を介して、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を覆うように形成され、
前記第７工程において、
前記コンタクトは、前記層間絶縁層および前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るように形成される
請求項１５に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項１７】
前記第６工程では、
前記上部電極層、前記第１の抵抗変化層、前記第２の抵抗変化層および前記下部電極層を覆うように前記層間絶縁層と同じ材料の絶縁層を形成する工程と、
前記層間絶縁層と同じ材料の絶縁層をエッチング除去し、少なくとも前記上部電極層を露出させることで、前記層間絶縁層を形成する工程とを含み、
前記第５工程において、
前記ストレス緩和領域層は、前記第６工程の後に、少なくとも前記上部電極層の上面および側面、並びに、前記コンタクトの側面を直接覆うように、前記多孔質構造を有する絶縁層で形成され、
前記第７工程において、前記コンタクトは、前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るよう形成される
請求項１５に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項１８】
前記第４工程において、前記上部電極層は、白金族元素の単体または合金で形成される
請求項１５から１７のいずれかに１項に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項１９】
前記白金族元素は、白金またはパラジウムである
請求項１８に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項２０】
前記第２工程および前記第３工程において、
前記金属酸化物は、タンタル酸化物からなり、
前記第１の抵抗変化層をＴａＯｘ、前記第２の抵抗変化層をＴａＯｙと表したとき、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層は、０．８≦ｘ≦１．９、かつ、２．１≦ｙ＜２．５を満たすように形成される
請求項１５から１９のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項２１】
前記基板上に下部電極層を形成する工程と、
前記下部電極層上に金属酸化物で構成される第１の抵抗変化層を形成する工程と、
前記第１の抵抗変化層上に、前記第１の抵抗変化層より酸素不足度が小さい金属酸化物で構成される第２の抵抗変化層を形成する工程と、
前記第２の抵抗変化層上に上部電極層を形成する工程と、
少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように、前記上部電極層に対する応力を緩和するストレス緩和領域層を設ける工程と、
少なくとも前記下部電極層、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層の側面を覆うように層間絶縁層を形成する工程と、
上部電極層に至るようコンタクト形成する工程と、
前記コンタクトに接続される配線パターンを形成する工程と、を含み、
前記ストレス緩和領域層を設ける工程において、
前記ストレス緩和領域層は、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さい空気層で設けられる
不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項２２】
前記ストレス緩和領域層を設ける工程において、
前記ストレス緩和領域層は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面と前記層間絶縁層との間に形成され、
前記コンタクトを形成する工程において、
前記コンタクトは、前記層間絶縁層および前記ストレス緩和領域層を貫通し、前記上部電極層に至るように形成される
請求項２１に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項２３】
前記層間絶縁層を形成する工程の前に、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように犠牲層を形成する工程をさらに含み、
前記層間絶縁層を形成する工程において、前記層間絶縁膜は、少なくとも前記上部電極層の上面および側面を、前記犠牲層を介して覆うように形成され、
前記層間絶縁層を形成する工程の後に、前記層間絶縁層および前記犠牲層を貫通し、前記上部電極層に至るようにコンタクト開口部を形成する工程をさらに含み、
前記ストレス緩和領域を設ける工程において、前記コンタクト開口部からエッチングにより前記犠牲層を除去することにより前記空気層を形成し、
前記コンタクトを形成する工程において、前記コンタクト開口部に前記コンタクトを形成する
請求項２１に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項２４】
前記ストレス緩和領域を設ける工程は、前記コンタクトを形成する工程の後に行われ、
前記ストレス緩和領域を設ける工程において、
前記層間絶縁層の一部をエッチング除去し、少なくとも前記上部電極層を露出させることで、前記空気層を形成する
請求項２１に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項２５】
前記上部電極層を形成する工程において、前記上部電極層は、白金族元素の単体または合金で形成される
請求項２１から２４のいずれかに１項に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項２６】
前記白金族元素は、白金またはパラジウムである
請求項２５に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【請求項２７】
前記第１の抵抗変化層を形成する工程および前記第２の抵抗変化層を形成する工程において、
前記金属酸化物は、タンタル酸化物からなり、
前記第１の抵抗変化層をＴａＯｘ、前記第２の抵抗変化層をＴａＯｙと表したとき、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層は、０．８≦ｘ≦１．９、かつ、２．１≦ｙ＜２．５を満たすように形成される
請求項２１から２４のいずれか１項に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
【手続補正書】
【提出日】平成24年2月21日(2012.2.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１５】
基板上に下部電極層を形成する第１工程と、
前記下部電極層上に金属酸化物で構成される第１の抵抗変化層を形成する第２工程と、
前記第１の抵抗変化層より酸素不足度が小さい金属酸化物で構成される第２の抵抗変化層を前記第１の抵抗変化層上に形成する第３工程と、
前記第２の抵抗変化層上に上部電極層を形成する第４工程と、
少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように、前記上部電極層に対する応力を緩和するストレス緩和領域層を設ける第５工程と、
少なくとも前記下部電極層、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層の側面を覆うように層間絶縁層を形成する第６工程と、
上部電極層に至るようコンタクト形成する第７工程と、
前記コンタクトに接続される配線パターンを形成する第８工程と、を含み、
前記第５工程において、前記ストレス緩和領域層は、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さい絶縁層であって多孔質構造を有する絶縁層で設けられる
不揮発性記憶素子の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２１】
基板上に下部電極層を形成する工程と、
前記下部電極層上に金属酸化物で構成される第１の抵抗変化層を形成する工程と、
前記第１の抵抗変化層上に、前記第１の抵抗変化層より酸素不足度が小さい金属酸化物で構成される第２の抵抗変化層を形成する工程と、
前記第２の抵抗変化層上に上部電極層を形成する工程と、
少なくとも前記上部電極層の上面および側面を直接覆うように、前記上部電極層に対する応力を緩和するストレス緩和領域層を設ける工程と、
少なくとも前記下部電極層、前記第１の抵抗変化層および前記第２の抵抗変化層の側面を覆うように層間絶縁層を形成する工程と、
上部電極層に至るようコンタクト形成する工程と、
前記コンタクトに接続される配線パターンを形成する工程と、を含み、
前記ストレス緩和領域層を設ける工程において、
前記ストレス緩和領域層は、前記層間絶縁層に用いられる絶縁層より応力が小さい空気層で設けられる
不揮発性記憶素子の製造方法。
【国際調査報告】
2011111361.tif 000043
2011111361.tif 000044
2011111361.tif 000045
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